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Die Erfindung bezieht sich auf die Einbringung einer Nachrichtenkommunikation in
gesendete Hochfrequenz- oder Radiowellen-Loran-C Navigationssignale und dgl., wobei die
Kommunikation beispielsweise die Form von digitalen Daten aufweist, die als Impulsphase-
oder Impulszeit- oder Impulslagemodulation aufeinander folgenden Loran-C Impulsen
aufgeprägt werden, die aufeinanderfolgend übertragene Gruppen bilden, und zwar um es
Fahrzeugen, Schiffen usw. zu ermöglichen, ihre Position aus den Signalen zu bestimmen und
auch die gleichzeitig gesendeten Kommunikationsnachrichten oder Daten zu empfangen. Die
Erfindung bezieht sich mehr im speziellen auf Techniken zur Reduzierung von Fehlern, die
durch die Impulslagemodulation aufeinanderfolgender Impulse der Impulsgruppen verursacht
werden, und zwar zur Verhinderung, daß derartige Empfänger durch Festlegen bzw. Ermitteln
von falschen Nulldurchgängen in ihrer Arbeitsweise beeinträchtigt werden, und zwar wegen
der Modulationen, die durch die Impulsmodulation aufgrund der Nachrichtenkommunikation
eingeführt sind, welche den Impulsen der Loran-C Gruppen aufgeprägt ist. Weiterhin befaßt
sich die Erfindung mit neuen Techniken zur Elimination von Fehlern, die nicht nur durch die
Natur der digitalen übertragenen Daten bedingt sind, sondern auch mit neuen Techniken zur
Vermeidung von Fehlern in der Navigationsbestimmung, die durch Raumwellen bedingte
Verschiebungen und Fluktuationen oder Schwankungen usw. verursacht sind.
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Eine Loran-C Sendeeinrichtung ist beispielsweise in den US-Patenten Nr. 3 711 725,
4 151 528, 3 889 263, 4 001 598 und 4 423 419 des gemeinsamen Rechtsnachfolgers
beschrieben. Die Gruppen von beabstandeten Loran-C-Impulsübertragungen werden in den
zur Bestimmung der Position des Fahrzeugs verwendeten fahrzeugseitigen
Navigationsempfängern empfangen, die einen speziellen Nulldurchgang im dritten Zyklus am
Anstieg oder Beginn jedes Loran-Impulses der Gruppe von Loran-Impulsen, d.h. den sechsten
Nulldurchgang überwachen. Eine für solche Zwecke geeignete Empfängereinrichtung ist
beispielsweise in den US-Patenten 3 921 076, 3 736 590, 3 774 210, 4 392 138 und 4 482 896
beschrieben.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, gleichzeitig mit der Übertragung von Radio-Wellen-Loran-C
oder ähnlichen gesendeten Navigationssignalen in diese eingeschlosse Modulationen auf
demselben Träger zu übertragen, die dann Kommunikationsnachrichten oder Daten enthalten
können, beispielsweise Informationen oder Daten in digitaler Form. Unter diesen früheren
Vorschlägen für eine derartige Arbeitsweise finden sich das sog. Clarinet Pilgrim System,
welches von der US-Navy verwendet wird und von Dean W.N., "Loran-C für Emergency
Commnications", Maganvox, Fort Wayne, Indiana, 30. September 1973; International
Telephone and Telegraph, "Loran-C Phase Modulation Study; Final Technical Report,
Volume 2", ausgeführt für die US Coast Guard, Juni 1979; Radio Navigaton Journal 1975,
Wild Goose Association, Acton, Massachusetts, 1975, sowie "Loran-C Communication",
IEEE Plans 186 Position Location und Navigation Symposium, Las Vegas Nevada 1986,
Seiten 52 bis 60.
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Bei dem Clarinet Pilgram sind die ersten beiden Impulse der Gruppe von acht Loran-C
Impulsen, die eine erste übertragene Gruppe bilden, nicht moduliert; aber ein Impuls oder
mehrere Impulse der dritten bis achten Gruppe sind moduliert, und zwar dadurch, daß der
Impuls zeitlich vor und zurück in Zeitintervallen von einer Mikrosekunde bewegt wird -- eine
sog. Impulslagemodulation. Üblicherweise werden Pseudo-Zufalls-Daten oder einfache Daten
für die Ausführung der Impulslagemodulation verwendet, aber gelegentlich kann ein
Synchronisationswort übertragen werden. In jeden Fall werden die Daten mit einem sog. "Bit
Flip" oder aber mit einer Inversionssequenz oder deren Komplement multipliziert, bevor sie
für die Impulslagemodulation verwendet werden. Wenn die erste, dritte oder jede ungerade
Impulsgruppe moduliert wird, ist die Bit-Flip-Sequenz 00+-+--+. Wenn die zweite, vierte oder
jede gerade Impulsgruppe moduliert wird, dann wird das Komplement der Bit-Flip-Sequenz
00-+-++- verwendet. Als Beispiel wird angenommen, daß der von der Masterstation zu
sendende Datenfluß +-+-+-+-+-+- ist, und zwar beginnend mit einem ersten Intervall. Die
Impulse 3 - 8 dieses Intervalls sind dann, wie folgt moduliert: ++++--,diese Sequenz ist das
Produkt aus dem ersten Teil der Datenfolge und der Bit-Flip-Sequenz. Jedes Pluszeichen
veranlaßt eine vorauseilende Phase für den Impuls, und zwar üblicherweise um eine
Mikrosekunde oder um einem Teil hiervon, beispielsweise 3/4 Mikrosekunden, und jedes
Minuszeichen verursacht eine Verzögerung des Impulses mit der identischen Zeit. Die
Impulse 3 - 8 des folgenden Intervalls und der zweiten Gruppe von Loran-C Impulsen werden
dann beispielsweise moduliert ----++. Unter den Problemen, die mit dieser Art der
Nachrichtenmodulation bei der Loran-C Navigationsübertragungen verbunden sind, befindet
sich die Tatsache, daß sich während der Zeit des Abtastens des dritten Zyklus durch den
Empfänger die Amplitude dieses Zyklus des Loran-C Impulses in einem in der Größe
ansteigenden Zustand befindet, und zwar in gleicher Weise, wie die Hüllkurve oder der
Anstieg der Loran-C Impulse erzeugt wird, so daß, wie später erwähnt wird, sich ein
Amplitudensignal beispielsweise für den eine Mikrosekunde vorauseilenden
Modulationspunkt ergibt, welches von der Amplitude eines symmetrisch um eine
Mikrosekunde verzögerten und vom Empfänger abgetasteten Modulationspunkt unterscheidet,
wodurch Fehler eingeführt werden, die den Loran-C-Empfänger in seiner Navigationsfunktion
stören können, und zwar, wie vorstehend erwähnt, im Hinblick auf die Erkennung des
aktuellen Nulldurchgangs des dritten Zyklus (oder sechster Nulldurchgang) oder eines
anderen ausgewählten Referenzpunktes. Auf diese Weise können Fehler in der Bestimmung
der Navigationsposition durch diese Art der Modulation zur Übertragung von
Kommunikationsdaten eingeführt werden.
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Wenn eine Impulslagemodulation verwendet wird, betrachtet der Empfänger unausweichlich
jede Phasen-Verschiebung als Änderung seiner Position. Das Modulationsschema muß daher
diese Verschiebung so schnell wie möglich aufheben oder ausgleichen. In der Tat führt der
Empfänger ständig eine Integration oder einen Ausgleich der Impulslage- oder Impulsphase-
Daten aus, wie dies in den erwähnten Empfängerpatenten beschrieben ist. Der Empfänger
ermittelt seine geographische Position niemals aus einer einzigen Impulsmessung und
typischerweise integriert er die empfangenen Daten über ein bis zehn Sekunden. Diese
Integrationszeit ist als Empfängerzeitkonstante bekannt. Falls die Impulslagemodulation, die
durch die Daten veranlaßt wird, schnell im Vergleich zur Empfängerzeitkonstante ihr
Gleichgewicht bzw. ausballanciert werden kann, dann hat die Datenmodulation nur einen
vernachlässigbaren Effekt auf den Navigationsempfänger -- die vorgeschlagene Erfindung
schafft in dieser Hinsicht eine bevorzugte Ausführung.
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Wie vorstehend erwähnt, trägt die Erfindung der Tatsache Rechnung, daß die Hüllkurve der
vorauseilenden Flanke des Loral-C Impulses nicht konstant, sondern ansteigend ist. Das
Clarinet Pilgrim System und andere später beschriebenen Systeme verwenden eine
symmetrische Pulslagenmodulation, bei der eine "1" eine voreilende Phasenlage von exakt T-
Sekunden und eine "-1" (oder binäre "O") eine nacheilende Phasenlage von ebenfalls exakt T-
Sekunden verursachen. Der Loran-Impuls selbst ist aber nicht symmetrisch bezüglich des
Abtastpunktes, und dementsprechend veranlaßt die "1" den Empfänger zur Abtastung einer
negativen Halbwellenpositionsspannung und die Amplitude oder Größe dieser Spannung ist
etwas kleiner als die Amplitude oder Größe der positiven Halbwellenspannung, die der
Empfänger abtastet, falls eine "-1" (oder binäre "O") gesendet wird. Einige der später
beschriebenen Modulationsschemen garantieren, daß eine gleiche Anzahl von "1" und "O"
gesendet werden, aber selbst in diesem Fall wird eine exakte Ballance im Empfänger nicht
erreicht und es ergibt sich ein Fehler in der gemessenen Ankunftszeit des Signals. Dieser
Zeitmeßfehler beträgt ungefähr 30 bis 200 Nanosekunden und der hieraus resultierende
Positionsfehler liegt bei etwa 30 bis 1000 Fuß.
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Die Methode gemäß der Erfindung reduziert diesen Effekt, und zwar dadurch, daß eine
asymmetrische Impulslagenmodulation verwendet wird. Eine 1 bewirkt eine vorauseilende
Lage für den Impuls von exakt T Sekunden und die -1 bewirkt eine Verzögerung des Impulses
um fT Sekunden, wobei f kleiner als 1 ist, üblicherweise ungefähr gleich etwa 0,90 bis 0,97,
d.h. die Verzögerung erfolgt um einen Bruchteil von T.
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Ähnliche Probleme existieren auch bei anderen Datenübertragungstechniken auf Loran-C
Navigationssignalen, einschließlich des sog. Teletype II Systems, welches beispielsweise in
dem Aufsatz in Radio Navigaton Journal beschrieben ist, sowie auch bei dem Coast Guard
Two-Pulse Loran-C Communications System, welches ebenfalls beispielsweise in dem Radio
Navigationsjournal beschrieben ist, sowie in Feldman, D.A., et al., "The Coast Guard Two-
Pulse Loran-C Communications System", Navigation-The Journal of the Institute of
Navigation, Band 23, Nr. 4, 1976-77; auch veröffentlicht in den Proceedings of the Institute of
Navigation National Marine Navigation meeting, Hunt Valley, Maryland, October 14-15,
1975; und bei dem U.S. Coast Guard High-Speed Comunication System beschrieben in dem
Radio Navigation Journal sowie auch in dem erwähnten international Telephone and
Telegraph Report vom Juni 1979; und nochmals die hierin beschriebene Erfindung umgeht
bzw. vermeidet die Fehleranfälligkeit dieser symmetrischen Pulslagemodulationstechniken.
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Ein Aspekt der Erfindung ist demnach, eine neue Technik zur Vermeidung dieser Arten von
Navigationsfehlern zu schaffen, die durch die Impulslagemodulation von Loran-C Impulsen in
aufeinanderfolgenden Grupen von gesendeten Loran-Übertragungen verursacht werden. Es ist
hierbei ein Aspekt der Erfindung, eine neue und verbesserte Methode und Vorrichtung
(Sender und Empfänger) für die Daten- oder Nachrichtenkommunikation oder -Übertragung
auf gesendeten Loran-Navigationssignalen zu schaffen, und zwar mit einer entscheidenden
Reduzierung der Möglichkeit von Navigationsfehlern beim Empfang.
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Speziell mit dem erwähnten United States Coast Guard High Speed Communication System
ist eine Technik über die Inversion oder das "Bit Flip" eine Technik eingeführt, und zwar für
die logische Multiplikation der Datenbit-Nachricht bevor der Datenfluß bzw. die Datenfolge
im Sender die Impulslagemodulation ausführt, um sicherzustellen, da eine Ballance zwischen
den positiven und negativen Werten oder +1 und -1 (oder binäre O) in der
Phasenlagenmodulationsfolge vorliegt, wie dies in dem erwähnten Radionavigations-Journal-
Artikel beschrieben ist. Selbst wenn durch diese Coust Guard System eine Ballance für die
Grundwelle gewährleistet ist, kann dieses System nicht in gleicher Weise garantieren, daß
verzögerte Raumwellen ebenfalls in Ballance gebracht werden, und gerade dies ist ebenfalls
eine grundsätzliche Forderung der vorliegenden Erfindung.
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In Übereinstimmung mit anderen Merkmalen der Erfindung ist gewährleistet durch die
Einführung des Konzeptes des Ausgleichs eines vorgegebenen Loran-Impulses mit einem
Impuls, der exakt zwei Impulsgruppen später auftritt und identische
Raumwellensignalamplituden an den Abtastzeiten aufweist, und zwar unterschiedlich von den
sehr unterschiedlichen Raumwellenamplituden in aufeinanderfolgenden Loran-Impulsen
innerhalber einer Gruppe oder innerhalb unmittelbar benachbarten Gruppen, wird eine
wesentlich größere Sicherheit für eine genaue Navigationsfestlegung oder -Bestimmung
geschaffen, und zwar unbeeinfluß von Raumwellenverschiebungen oder Fluktuationen sowie
auch unbeeinflußt von der Natur der jeweiligen Datensequenz, mit der der Impuls moduliert
wird (s. hierzu auch Pere K. Enge et al., "Loran-C Communications" begrenzte Auflage bei
Proceedings on PLANS '86, nachveröffentlicht, wo Teile lediglich dieser Operation mit ihrem
mathematischen Hintergrund beschrieben ist.).
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Durch eine spezielle Art der Codierung der Rohdaten-Bits kann darüber hinaus eine größere
Sicherheit geschaffen werden, daß die + und - oder +1 und -1 (vorauseilende und verzögerte
Impulsmodulation) gleich sind und daß keine grasse Unballance in der Modulation innerhalb
jeder Gruppe besteht. In der Tat wird eine identische Anzahl von Plus- und Minus-
Verschiebungen in dem ersten und dritten sowie in dem zweiten und vierten usw. Loran-C-
Impuls erreicht, wodurch eine perfekte Ballance erzielt wird, und zwar unabhängig von der
Art der Daten in der Nachricht und unabhängig von Raumwellenstörungen.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung ist dementsprechend, ein neues und verbessertes Loran-C
oder ähnliches Datenkommunikationssystem zu schaffen, und zwar speziell des Typs ähnlich
des oben erwähnten U.S. Coast Guard High Speed Communication System, wobei bei dem
erfindungsgemäßen System weiterhin unabhängig von der Natur der ankommenden digitalen
Sequenz, die für die Modulation des Signals verwendet wird, die Möglichkeit von
Navigationsfehlern am Empfänger, auch bedingt durch Raumwellen-Phasenverschiebungen
und Fluktuationen vermieden ist, und zwar mit einem Schutz oder mit einer Sicherheit gegen
starke Unballance innerhalb einer einzigen Gruppe von Loran-C-Übertragungen, hinsichtlich
der Plus- und Minusverschiebungen der Modulation, um so die Möglichkeit einer groben
Verschiebung in einer Richtung zu vermeiden.
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Andere und weitere Aspekte werden nachfolgend erklärt und sind speziell in den beigefügten
Ansprüchen festgelegt.
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Zusammenfassend bezieht sich die Erfindung nach einem ihrer bedeutenden Aspekte, wie sie
in den Ansprüchen 1 und 2 definiert ist, auf ein Verfahren zur Impulslagemodulation von
Loran-C Impulsen, welches im Gegensatz zur symmetrischen vorauseilenden und
nacheilenden Phasen oder Zeitverschiebung von einer Mikrosekunde von
aufeinanderfolgenden Loran-C Impulsen beim Stand der Technik, eine asymmetrische
Impulslagemodulation von Loran-C Impulsen vorsieht, und zwar dadurch, daß für das
Vorauseilen eines Impulses ein Zeitintervall gewählt wird, welches größer ist als die
Verzögerung eines anderen Impulses durch die Modulation, wobei der Unterschied im
asymmetrischen Zeitintervall für die Vorauseilung einen Betrag aufweist, der ausreichend ist,
um den Unterschied in der Amplitude oder Größe der negativen und positiven Zyklus-
Abschnitte oder Bereiche bei dem dritten Zyklus oder einem anderen Referenzzyklus an der
verzögerten und vorauseilenden Abtastposition auszugleichen, die (Abtastposition bzw. deren
Amplituden durch den Empfänger zu den Abtastzeiten festgestellt werden.
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Nach einem anderen Aspekt schafft die Erfindung nach einem Loran-C Navigations- und
Kommunikationssystem, bei dem eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Loran-C Impulsen
innerhalb von aufeinanderfolgenden Gruppen solcher Impulse in der Impulslage moduliert
werden, und zwar zur Übertragung von Nachrichten in Form von Blöcken von K-Rohdaten-
Bit, ein Verfahren zur Reduzierung von Fehlern beim Empfang dieser Impulse für
Navigationszwecke durch Empfänger, welche diese Kommunikationen nicht wahrnehmen,
wobei derartige Fehler durch Raumwellen bedingte Phasenversetzungen bzw.
-Verschiebungen und Fluktuationen bedingt sind, und zwar unabhängig von der Natur der
Datenbit, wobei dieses Verfahren umfaßt die Umwandlung der aufeinanderfolgenden
unaufbereiteten bzw. rohen Blöcke von K-Rohdatenbit in entsprechende, codierte Blöcke in
N-Bits, wobei N größer ist als K und die einen Fehlererkennungscode enthalten; Anwendung
bzw. Zuordnung der entsprechenden codierten Datenblöcke auf bzw. zu aufeinanderfolgenden
Loran-C Impuls-Gruppen; logische Multiplizieren der aufeinanderfolgenden codierten
Sequenzen der entsprechenden ersten und zweiten Loran-C-Impulsgruppen durch
entsprechende Coset-Leader-Sequenzen, um Datensequenzen zu erzeugen, die eine Sicherheit
gegen starke Abweichungen bei der Plus- und Minusposition-Modulation in jeder einzelnen
Gruppe von Impulsen gewährleisten; Impulslagemodulation der Vielzahl von Impulsen in der
ersten und zweiten Gruppe von Loran-C-Impulsen mit den entsprechenden resultierenden
Datensequenzen; Invertierung der entsprechenden codierten Sequenzen für die ersten und
zweiten Loran-C Impulsgruppen und Anwendung derselben als codierte Daten für die dritte
und vierte Loran-Impulsgruppe; logische Multiplikation derselben mit den erwähnten
entsprechenden Coset-Leader-Sequenzen, um resultierende Datensequenzen in der dritten und
vierten Loran-C-Gruppe zu erzeugen, und zwar komplementär zu den entsprechenden für die
erste und zweiten Loran-Gruppe resultierten Datensequenzen, und um über vier Gruppen eine
exakte Nullunballance zu erzeugen; Pulslagemodulation der Vielzahl von
aufeinanderfolgenden Impulsen in der dritten und vierten Gruppe von Loran-Impulsen mit den
entsprechenden, letztgenannten resultierenden Datensequenzen; und Sicherstellung, daß die
erwähnten Coset-Leader-Sequenzen als ein möglicher Code aus den konvergierten Daten
ausgenommen sind, wobei identische Plus- und Minuspositions-Verschiebungen in den ersten
und dritten Loran-C Impulsgruppen und identische Verschiebungen in den zweiten und dritten
Loran-C Impulsgruppen auftreten, und zwar jeweils in perfekter Ballance unabhängig von der
Art und Natur der Rohdaten und unabhängig von ...wellenstörungen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulation geringfügig asymmetrisch bezüglich der positiven und negativen
voreilenden bzw. nacheilenden Position oder Phasenlage ist.
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Bevorzugt und die beste Art und Weise der Erfindung wiedergebende Ausführungsformen
sowie Details werden nachstehend präsentiert.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugsnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben,
von denen
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Fig. 1A und 1B graphische Darstellungen sind, die die Abtastpunkte von
aufeinanderfolgenden, in der Impulslage oder Phasenlage modulierten
Loran-C-Impulsen illustriert, und zwar beim Stand der Technik sowie
bei der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2A und 2B sind Impuls-Zeitdiagramme, die die normale Impuls-Zeitfolge von Loran-C-
Übertragungen und die modulierte Impulsfolge entsprechend der Technik
der vorliegenden Erfindung wiedergibt;
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Fig. 2 ist ein Wellenformdiagramm von der modulierten Serie von Loran-C-
Impulsen, wobei die mit der nichtunterbrochenen Linie wiedergegebene
Wellenform den normalen Radiofrequenz-Loran-C-Impuls und die
gepunktete Wellenform einen vorauseilenden Loran-C-Impuls bei der
Modulation (vorauseilend mit T) und die gestrichelte Linie eine Wellenform
eines verzögerten Impulses (verzögert durch eine kleinere Zeitperiode fT)
wiedergeben;
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Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Senders, der für die Arbeitsweise mit der
Technik gemäß der Erfindung geeignet ist und die in den Figuren 1B und
2B sowie 2C wiedergegebenen Charakteristiken liefert;
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Fig. 1' ist ein Blockdiagramm, welches ein bevorzugtes System zur Praktizierung
der zusätzlichen Technik bzw. des zusätzlichen Merkmals zur Reduzierung
von Raumwellen bedingten Fehlern, welches ebenfalls Gegenstand der
vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 2'A, 2'B, 2'C sind Wellenformdiagramme, die die Arbeitsweise der Erfindung bei
Anwesenheit von Raumwellenstörungen illustriert;
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Fig. 3' ist ein Blockdiagramm eines Senders, der zur Ausführung der Erfindung
geeignet ist;
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Fig. 4A und 4B sind Zeitdiagramme, die die normale Puls-Zeit-Modulation sowie die
Modulation in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigen;
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Fig. 5A und 5B sind Blockdiagramme, die Details für die Codiertechnik illustrieren, die bei
dem Sender der Fig. 3' verwendet ist;
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Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines geeigneten Empfängers für die Arbeitsweise
entsprechend der Erfindung; und
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Fig. 7A und 7B sind Wellenformdiagramme, die die Arbeitsweise des Empfängers der Fig. 6
erläutern.
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In der Fig. 1A ist der vorstehend erwähnte Loran-C-Typ einer ansteigenden und fallenden
Hüllkurve E dargestellt, die von dem Anstieg von aufeinanderfolgenden Zyklen von
Radiofrequenz-Burst oder -Impulsen und von deren anschließende Einschnürung gebildet ist,
wie dies in den vorgenannten Sender-Patenten beschrieben ist. Der sechste Nulldurchgang bei
der dritten Periode, der mit dem Buchstaben P bei dem Dreißig-Mikro-Sekunden-Intervall an
der Zeitachse oder Abszisse wiedergegeben ist, ist derjenige Punkt der üblicherweise durch
den Empfänger überwacht wird, und zwar zum Zwecke der Bestimmung der Navigationslage
bzw. der Lage des Fahrzeuges, welches die Empfangseinrichtung aufweist, wie dies in den
vorstehend zitierten Patenten beschrieben ist. Der Impuls der Fig. 1 ist in der Fig. 2A
diagrammartig bei P1 als Pfeil wiedergegeben, um die aufeinanderfolgenden beabstandeten
Gruppen G1, G2 usw. von übertragenen Loran-C-Impulsen zu illustrieren, wobei die erste
Gruppe G1 acht Impulse P1 - P8 aufweist, die aufeinanderfolgend wiedergegeben sind, und
zwar mit einem zeitlichen Abstand von einer Millisekunde in der normalen (unmodulierten)
zeitlichen Folge zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen, und wobei die zweite Gruppe G2
in ähnlicher Weise gleichförmgie normale (nichtmodulierte) zeitliche Abstände von einer
Millisekunde zwischen den Impulsen aufweist, jedoch von der vorausgehenden Gruppe G1
entsprechend einem Gruppenwiederholungsintervall (GRI) beabstandet ist, welches
üblicherweise in der Größenordnung von 50 - 100 Millisekunden liegt.
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In Übereinstimmung mit dem vorstehend erwähnten Clarinet Pilgrim-System, Teletype II,
Coast Guard II, Pulse Loran-C-Kommunikationssystem, und U.S. Coast Gurad High-Speed
Communication weisen bei früheren, für die Kommunikation modulierten Techniken und
anderen vorgeschlagenen Technik die aufeinanderfolgenden Impulse P1, P2, P3 usw. die erste
Gruppe G1 aus und haben, wie vorstehend festgestellt wurde, bei der normalen
(unmodulierten) Pulsfolge den gleichen Abstand von einer Millisekunde auf. Dies ist
modifiziert bei diesen bekannten Modulationssystemen, und zwar generell beginnend mit P3
bis P8, und zwar durch Einführen einer Kommunikationsnachricht in Form von digitalen
Datensignalen durch Impulslage bzw. Impulsephase-Modulation in den Loran-C-Impulsen P3
- P8. Wie vorstehend erläutert wurde, werden diese Impulse oder einige hiervon in
Übereinstimmung mit den Signalen in eine voreilende Phasenlage gebracht oder verzögert,
um so den Modulationseffekt einzubringen, wie dies mehr im einzelnen in der Fig. 2B
dargestellt ist. Der erste Impuls P5 weist dabei eine voreilende Phasenlage auf und der
nachfolgende Impulse P8 ist verzögert dargestellt, um den Modulationseffekt zu erzeugen,
und zwar entsprechend der zu übertragenden Daten bzw. Nachricht, wobei dies durch die
Ziffern 1 bzw. -1 wiedergegeben ist. Im Falle von binären Bits "1" und "0", entspricht "1"
und "0"-1. Das übliche Zeitintervall von einer Mikrosekunde (oder manchmal 3/4
Mikrosekunde) von Voreilung und Verzögerung (sehr viel kleiner als das 1 Millisekunden-
Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Loran-C-Impulsen und auch die Periode des
Radiofrequenzzyklus der Impulse) führt zu einer größeren Amplitude, wenn eine -1 auftritt
und von dem Empfänger abgetastet wird, wie dies am Punkt P&sub1; dargestellt ist, und zwar im
Vergleich zu dem unteren Teil der ansteigenden dritten Halbwelle an dem Abtastpunkt P&sub2; der
Fig. 1A, unter Berücksichtigung des Anstiegs der Hüllkurve E. Dieser Unterschied in der
Amplitude oder Größe schafft die Möglichkeit eines Irrtums für den Empfänger, und zwar
dahingehend, daß dieser nicht geeignete Mittelwert für den Nulldurchgang findet, und zwar
zum Zwecke der Navigation oder Fixierung der Navigation.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung kompensiert die vorliegende Erfindung anstelle der
Verwendung dieser bekannten symmetrischen oder standardmäßigen Vorauseilung und
Verzögerung von plus oder minus einer Mikrosekunde oder einem anderen Wert, eine
Kompensation des vorstehend erwähnten Amplitudenunterschiedes des Abtastpunktes P1,
wenn eine -1 (Verzögerung) am positiven Anstieg der dritten Periode auftritt, und der
negativen Amplitude mit geringerem Betrag bei P&sub2;, wenn die Abtastspannung für 1
(Vorauseilung) involviert ist. Diese symmetrische Impulslagemodulation beim Stand der
Technik wird in Übereinstimmung mit der Erfindung in eine asymmetrische
Impulslagemodulation geändert, und zwar dadurch, daß die Zeit der Verzögerung modifiziert
wird, diese kleiner gewählt wird als die Zeit der Voreilung, und zwar in einem Ausmaß,
welches diese Unterschiede in der Amplitude kompensiert, und beim Empfang ist die
Demodulation angepaßt, um die ursprünglichen Kommunikationsdaten wieder herzustellen.
Dies ist in den Figuren 2B und 2C dargestellt, wo der Impuls 5 zeitlich vorauseilt, um
beispielsweise um die Zeit T -- die eine Mikrosekunde; während der Impuls P8 verzögert ist,
und zwar um FT Sekunden, wobei f, wie vorstehend erwähnt, ein echter Bruch ist, so daß die
Verzögerung beispielsweise in der Größenordnung von etwa 900 Nanosekunden oder 0,9
Mikrosekunden liegt, um so die größere Amplitude von P nach P1 im Vergleich zu der
geringeren Größe oder Amplitude von P zu P&sub2; in der Fig. 1A zu kompensieren. Es wurde
festgestellt, daß unter diesen Umständen überraschenderweise die vorstehend erwähnten
Irrtümer in der Festlegung der Navigation, die durch die Impulslage-Modulation im
symmetrischen System der bekannten Art liegen, überwunden werden können und daß der
Empfänger entsprechend den vorstehend erwähnten Artikeln, für einen separaten Empfang
eingestellt wird, um die asymmetrische Zeitintervall-Modulation über die sechs
Nulldurchgänge zu demodulieren und um so die ursprünglichen Kommunikationsdaten
wieder herzustellen, und zwar unbeeinflußt durch die Asymmetrie der Modulationsintervalle.
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Bei einem typischen Sendersystem der Fig. 3, die schematisch das System der Sender der
vorstehend erwähnten bekannten Senderpatente oder entgegengehaltenen Partikel wiedergibt,
werden die Kommunikationsdaten (1, -1 oder 0) für die Modulation der Lage eines oder
mehrerer der Loran-C-Impulse P3 - P8 (Fig. 2B) einem den Zeitstandard gesteuerten Loran-C-
Impulstimer zugeführt, der seinerseits einen Zeitmodulator (timing stroke) steuert, der für die
richtige Voreilung und Nacheilung des Loran-C-Impulses sorgt, der von dem Sender erzeugt
wird und über die Antenne abgestrahlt wird. Wie oben erwähnt, ist der Empfänger bei der
Demodulation in ähnlicher Weise zeitlich getaktet, um die ursprünglichen Modulationsdaten
wieder zu gewinnen.
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Es wird nun bezug genommen auf Fig. 1', wo unten drei aufeinanderfolgende Gruppen von
acht Navigationsimpulsen P1 - P8 als Blöcke GRIA, GRIB und dann wiederum GRIA usw.
dargestellt sind. Entsprechend Clarinet Pilgram liegt bei dieser Ausführungsform keine
Modulation der Impulse P1 oder P2 jeder Gruppe vor. Die Folge von Impulsen P3 - P8 wird
moduliert, und zwar durch entsprechende sechs Datenbits, die in den Blöcken oben mit +++-
+- angegeben sind, welche mit "Datenregister Nr. 1" bezeichnet sind, und zwar nachdem diese
logisch multipliziert wurden und zwar mit dem sogenannten "Coset Leader", der mit der
Sequenz -+--++ wiedergegeben ist, und zwar als ein Beispiel in dem am weitesten linken
Gruppe GRIA. Anstelle davon, daß das erste + in dem oberen Block des Datenregisters Nr. 1
für die Vorauseilung bei der Impulslage des dritten Impulses P der ersten Navigationsgruppe
GRIA verwendet wird, wird + zunächst multipliziert mit dem entsprechenden - des Coset
Leader, um ein - zu erhalten; so wird tatsächlich der dritte Impuls P3 verzögert, und zwar
generell in der Größenordnung von einer Mikrosekunde. Entsprechend wird der Wert + des
zweiten Datenregisters Nr. 2 multipliziert mit dem zweiten Coset Leader + resultiert in einem
+ oder in einer Vorauseilung, beispielsweise in der Größenordnung von einer Mikrosekunde
des vierten Impulses der Gruppe GRIA usw. Entsprechend einem zusätzlichen Merkmal der
Erfindung werden, wie später noch näher im Detail erläutert wird, die Datenbits im
Datenregister Nr. 1 nicht nur dazu verwendet, um die Impulse der Navigationsgruppe GRIA
zu modulieren, sondern werden auch dazu verwendet, um entsprechende Impulse der dritten
Navigationsgruppe, der nächsten GRIA ebenfalls zu modulieren, und zwar nach einer
Inversion oder Multiplikation mit -1, wie dies mit X angedeutet ist.
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Die Datenregister Nr. 1, Nr. 2, Nr. 3 usw. werden mit den Daten gefüllt, die von der
Codiereinrichtung E kommen, und werden mit + und - gefüllt. Es ist wichtig, zu beachten, daß
gleichgültig welche Daten sich im Datenregister Nr. 1 befinden, entsprechend der Erfindung
die inversen oder komplementären Daten im Datenregister Nr. 3 vorhanden sind, und zwar für
einen später noch beschriebenen Zweck. In gleicher Weise sind unabhängig von den Daten im
Datenregister Nr. 2 die hierzu inversen oder komplementären Daten im Datenregister Nr. 4
enthalten, welches nicht dargestellt, aber angedeutet ist. Die Bit-Flip-Operationen oder
Funktionen X, die oben in der Fig. angegeben sind, bewirken diese Inversion.
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Die Bit-Flip- oder Inversionssequenz stellt eine Null-Balance nach vier GRI her, d.h. daß
unabhängig von der Natur der Daten über eine relativ kurze Zeitperiode von vier GRI ebenso
viele + (vorauseilende Phasenlagen) wie - (Verzögerungen) in der
Kommunikationsmodulation der dritten bis achten Loran-C-Impulse eines jeden GRI
vorliegen, wie dies vollständiger in der erwähnten Literaturstelle United States Coast Guard
High Speed Communication System beschrieben ist. Falls Unbalance bezüglich von + und -
Modulationen über eine konstante Empfänger-Zeitperiode (beispielsweise bei wenigstens vier
GRI) vorliegt, kann der Navigationsempfänger eine neue Lage, entweder früher oder später, in
der Ankunft dieses Signals anzeigen, und zwar mit einem hieraus resultierenden Fehler in der
Festlegung der Navigation oder Position. Der ausgleichende oder kompensierende Impuls ist
exakt 2 GRI später als der Originalimpuls, was bedeutet, daß er in einer Reihe von
bedeutenden Aspekten oder Beziehungen identisch mit dem Originalimpuls ist und den
gleichen Phasencode aufweist.
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Ein bedeutendes Merkmal dieser Phase der Erfindung ist die Verwendung des Coset Leaders,
um sicherzustellen, daß keine grobe Unbalance selbst innerhalb einer einzigen Loran-Gruppe
bzw. keine extremen Situationen vorliegen, wie beispielsweise - für alle Impulse oder nahezu
für alle Impulse. Das Datenregister Nr. 1 (+++-+-) führt daher nicht direkt zur Voreilung,
Voreilung, Voreilung, Verzögerung, Voreilung und Verzögerung. Die Daten werden, wie
vorstehend erläutert, zunächst logisch mit dem Coset Leader (-+--++, beispielsweise)
multipliziert, so daß die hieraus resultierende Folge für die Impulslage-Modulation
Verzögerung, Voreilung, Verzögerung, Voreilung, Voreilung und Verzögerung ist. Während
dies keine besonders problematische Sequenz ist, ist dies nicht der Fall mit der reinen
+Datenfolge im Datenregister Nr. 2. Anstelle einer Vorauseilung für jeden einzelnen Impuls
bewirkt die Multiplikation mit dem Coset Leader eine zuverlässigere Modulationssequenz,
nämlich: Verzögerung, Vorauseilung, Verzögerung, Verzögerung, Vorauseilung und
Vorauseilung. Was passiert aber, falls der Fall eintritt, daß sich das Datenregister exakt mit
der Coset-Leader-Frequenz oder mit dem Komplement hierzu füllt. Eine Multiplikation mit
dem Coset Leader würde eine ziemlich willkürliche oder keine bestimmte Orientierung
aufweisende Sequenz betreffen und in eine solche umwandeln, die eine sehr schwierige grobe
Unbalance aufweist. Wie später erörtert, wird dies dadurch vermieden, daß die Coset-Leader-
Sequenz oder deren Komplement im Datenregister nicht auftreten können.
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Die Coset-Leader-Verteilung gemäß der Erfindung stellt somit sicher, daß keine starke
Unbalance in der Modulation bezüglich vorauseilender und nacheilender Phasenlage auftritt,
und zwar selbst innerhalb einer einzigen Loran-C-Gruppe.
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Das beschriebene Schema des Bit-Flippings oder Invertierens des Datenregisters Nr. 1,
welches (Schema) für die Modulation der ersten Loran-C-Gruppe GRIA verwendet ist, um so
das Komplement in dem Datenregister Nr. 3 der dritten Loran-C-Gruppe zur Verfügung zu
stellen, und in gleicher Weise die Invertierung der Daten des Datenregisters Nr. 2 der zweiten
Loran-C-Gruppe im Datenregister Nr. 4 der vierten Loran-Gruppe C stellt eine Versicherung
gegen Null-Unbalance nach vier empfangenen Gruppen dar - hierdurch eliminierende
Möglichkeit, daß der Empfänger eine wesentlichen Fehler hinsichtlich der
Navigationsposition aufgrund der Kommunikationsmodulation aufweist -- im Gegensatz zu
dem erwähnten Coast Guard High Speed Kommunikationssystem oder anderen bekannten
Systemen, sowie unabhängig von Verzögerungen im Empfang des Loran-C-Signals durch
Raumwellen bedingte Verschiebungen, Fluktuationen oder andere Störungen, wie dies
nachfolgend erwähnt wird. In der Fig. 2'A ist der j-te Impuls mit der empfangenen
Grundwelle in einer Gruppe dargestellt, und zwar zusammen mit dem Ende des empfangenen
i-ten Raumwellenimpulses in dieser Gruppe, wobei die Kreuze oder Sterne die abgetasteten
Werte der Raumwellenstörung wiedergeben. Durch das oben erwähnte Bit-Flip auf das dritte
GRI ist, wie sich aus der Fig. 2'C ergibt, das abgetastete Raumwellensignal identisch mit dem
in der Fig. 2'A (und so unterschiedlich von dem sehr unterschiedlichen Raumwellenende und
von jedem abgetasteten Signal, welches für jeden Impuls anders als der j-Impuls der ersten
und zweiten Gruppe in der Fig. 2'B dargestellt ist). Diese Identität ist bedeutsam für die
Arbeitsweise des komplementären Phasencodes, der in dem Loran-C verwendet ist, um die
Effekte von Raumwellensignalen auszuschalten. Andernfalls können die
Raumwellenspannungen (Figuren 2'A und 2'B) an den Abtastpunkten nicht identisch seien,
so daß eine geeignete Arbeitsweise des komplemtären Codes, der zur Ausschaltung der
Raumwelle verwendet ist, nicht sichergestellt ist, und es können dann wesentliche
Raumwellenstörungen eingeführt werden, und zwar wegen der Kommunikationsmodulation,
die eine Voreilung und Nacheilung der Impusle verursacht.
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In bezug auf die Details der vorstehend erwähnten Codierung E der Rohdaten entsprechend
Fig. 1', wird nun bezug genommen auf Fig. 5A, wo die rohen bzw. unaufbereiteten
Kommunikationsdaten beispielsweise von einem Fernschreiber oder einer anderen
Datenquelle dem Codierer E zugeführt werden, der im Sinne der Erfindung geeignet ist, jeden
Code zur Entdeckung oder Korrigierung von Block- oder Konvolutionalfehlern auszuführen.
Derartige Code und Codierer sind in G.C. Clark und J.B. Cain "Error Correcting Codes for
Digital Communication", Plenum, New York, 1981; und A.J. Viterbi und J.K. Cmura,
"Principle of Digital Communication and Coding", McGraw Hill, New York, 1979
beschrieben. Wie spezieller in Figl. 5B dargestellt ist, wird ein Blockcode mit Rohdaten
angenommen, die in Blöcke von K Bits für jeden Code dargestellt sind, und zwar mit K = 6,
beispielsweise mit Codeblöcken 011100, 011111 und 100101. Der Decoder wandelt jeden K-
Bitblock in einen N-Bitblock um, wobei bei dem gezeigten Beispiel N = 10, also größer als K
ist, da der Codierer (N - K) Fehlerprüfbits hinzufügt. Diese N-Bitblöcke (1111000011, usw.)
werden als Codeworte bezeichnet und es gibt jeweils nur ein Codewort für jeden der
ursprünglichen Original-K-Bitrohblockdaten (ein Code ist eine 1-zu-1-Abbildung).
Dementsprechend gibt es bei diesem Beispiel 2K Codewörter oder 64. Insgesamt gibt es aber
2N mögliche N-Bitblöckie (2¹&sup0; oder 1,024 in diesem Fall). Dies bedeutet 2N - 2K N-Bitblöcke
können niemals auftreten. Von den möglichen 1,024 10-Bitblöcken, die in den Datenregister
auftreten können, wird keines außer 64 auftreten. Die Coset-Leader-Sequenz und deren
Komplement sind, wie vorstehend bereits erwähnt, so ausgewählt, daß diese niemals in den
Datenregistern der Fig. 1' auftreten werden.
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Die Multiplikation mit der Coset-Leader-Sequenz, Fig. 1', wird daher sicherstellen, daß keine
starken Unbalancen in einer einzigen Gruppe auftreten, wie dies vorstehend beschrieben
wurde.
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In einem geeigneten Übertragungs- bzw. Sendesystem für die Arbeitsweise entsprechend der
Erfindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in der Fig. 3' dargestellt, wobei die
Datenquelle und der Codierer der Figuren 1' und 5A so wiedergegeben sind, daß diese die
codierten Daten von N-Bitblöcken, die den Fehlererkennungscode, wie er vorstehend
beschrieben wurde, enthalten, den Datenregistern (Nr. 1, Nr. 2, Nr. 3 usw. der Fig. 1) von
aufeinanderfolgenden Loran-C-Impulsgruppen (GRIA, GRIB, GRIA, usw.) zuführen. Die für
die Übertragung codierten Sequenzen werden mit den Cosat-Leader-Sequenzen multipliziert,
um logische Multiplikationen auszuführen, welche dann die jeweiligen resultierenden
Datensequenzen liefern, die eine Sicherheit gegen Unbalance in den +Zeichen und -Zeichen
(oder 1 und 0) Positionsmodulationen in dem entsprechenden Loran-C-Impulsen liefern, die
in dem Radiofrequenzsender "Tmtr" unter der Kontrolle eines Timers, der von einem
Zeitstandard kontrolliert wird, erzeugt werden und von der Antenne abgestrahlt werden,
wobei die Loran-C-Navigationsimpulse zugleich auch Kommunikationsdaten enthalten. Wie
früher bereits festgestellt wurde, wird diese Impulslage-Modulation, die diese Daten
representiert, vorzugsweise an den Impulsen P3 - P8 ausgeführt, wobei die ersten beiden
Loran-C-Impulse P1, P2 eine Modulation nicht aufweisen (Fig. 4A und 4B); und anstelle von
symmetrischen voreilenden und nacheilenden Zeitintervallen wird eine Kompensation
ausgeführt, und zwar für die unterschiedlichen Amplituden an den Abtastpunkten für die
Bestimmung der Navigationsposition an dem dritten Zyklus auf der positiven und negativen
Seite des sechsten Nulldurchgangs, die (unterschiedlichen Amplituden), wie vorstehend
erwähnt, auf die ansteigende Höhlkurve zurückzuführen sind, wobei die Kompensation
dadurch ausgeführt wird, daß eine Voreilzeit T, dargestellt im Impuls 5, der Größenordnung
von einer Mikrosekunde für einen normalen Impulsabstand von einer Millisekunde
vorgenommen wird, Fig. 4A, und eine Verzögerung (dargestellt am Impusl P8) von einem
geringfügig asymmetrischen (kürzeren) Zeitintervall fT ausgeführt wird, ungefähr von
0,9 -0,97 Mikrosekunden.
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Während verschiedene Typen von Empfängern verwendet werden können, wie sie in den
erwähnten Patenten und Literaturstellen beschrieben sind, zeigt Fig. 6 einen geeigneten
Empfänger mit einer festen Amplitudenbegrenzung. Die empfangenen Loran-C-Signale
werden durch einen Eingangskreis geleitet, der Bandfilter sowie Verstärker enthält, bevor eine
Amplitudenbegrenzung erfolgt, die eine Rechteckwellenform liefert, die die
Phaseninformation enthält -- Fig. 7A illustriert das Ausgangssignal für eine voreilende (+1)
Modullation und Figl 7B zeigt das Ausgangssignal für eine Verzögerung oder -1 oder "0",
wobei der Abtastpunkt durch die Kreuze bzw. Sterne wiedergegeben sind, die die Zeit
angeben, an der der sechste Nulldurchgang des Loran-C-Impulses erwartet wird. Diese Muster
sind diejenigen, die der Navigationsprozessor in dem normalen Loranempfänger empfängt
und anzeigt, und sie werden laufend direkt in den Navigationsprozessor eingegeben, und zwar
so wie wenn Kommunikationen überhaupt nicht vorliegen; der Navigationsprozessor steuert
das Navigationsdisplay an, um die Positon anzuzeigen. Genau die gleichen
Empfängerabtastungen werden aber auch separat dem Kommunikationsprozessor zugeführt,
der sich mit den Impulsen 3 - 8 befaßt, da diese diejenigen sind, die moduliert sind. Falls die
Abtastung +V ist, Fig. 7A, wird der Prozessor bestimmen, daß der Impuls eine voreilende
Phase aufweist und einer +1 entspricht. Falls der Prozessor jedoch feststellt, daß die
Abtastung gleich -V ist, Fig. 7B, dann wird er bestimmen, daß der Impuls verzögert ist, was
einer -1 oder 0 entspricht. Derartige +1 und 1 werden dann einem Prozeß unterzogen, der
inwärts oder umgekehrt zu dem in Fig. 3' abläuft, und zwar mit der Folge einer Entfernung
der Cosetleadersequenz, wobei ein Datenregister für eine nachfolgende Behandlung durch
einen Demodulationsdekoder gefüllt wird, der die inverse Abbildung von den Codeworten
zurück in die Originaldaten ausführt; und schließlich wird der Benutzer die beispielsweise in
einem Display oder in einer anderen Ausgabe wiedergegebenen Daten interpretieren oder
auswerten.
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Auf diese Weise stellt die Erfindung in ihrer besonderen Gesamtform über die Verwendung
des speziellen hier beschriebenen Typs eine Codierung mit der Bit-Flip-Invertierung eine
Sicherheit gegen Null-Unballance nach vier Loran-C-GIR sicher, und zwar unabhängig von
der Natur der eingegebenen Kommunikationsdaten und auch unbeeinfluß durch jede
raumwellenbedingte Phasenverschiebung oder Fluctuationen oder andere Störungen; und
durch die zusätzliche Sicherheit durch die Cosetleadersequenzen tritt auch keine
schwerwiegende Unballance in der Phasenmodulation (voreilende oder nacheilende
Phasenlage) nicht einmal in einer einzigen Gruppe von Loran-C-Impulsen auf.