DE69027872T2

DE69027872T2 - System zum Folgen eines Flugzeuges über einer Fläche.

Info

Publication number: DE69027872T2
Application number: DE69027872T
Authority: DE
Inventors: Fred Goodrich; Carl E Schwab
Original assignee: Cardion Inc
Current assignee: Cardion Newco Inc
Priority date: 1989-02-10
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2010-02-10
Also published as: EP0385600B1; EP0385600A3; CA2009344C; ATE140799T1; DE69027872D1; EP0385600A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme für das Verfolgen eines Flugzeugs über ein Gebiet sowie ein entsprechendes Verfahren, wobei das Flugzeug mit einem Transponder ausgerüstet ist, der so eingerichtet ist, daß er bei Abfrage durch einen Sender ein das Flugzeug kennzeichnendes Signal abgibt.
Bei der Ausbildung von Militärpiloten ist es erforderlich, daß der Pilot weiß, wie er Manövrieren und auf Bodenabwehrstationen reagieren muß. Diese Bodenstationen weisen typisch radargesteuerte Boden-Luft-Raketen auf. Wenn ein Pilot auffeindliches Gebiet trifft, wird das Flugzeug durch Bodenradar-Impulse angestrahlt. Der Pilot muß geschult werden, das Flugzeug wirksam zu manövrieren, um die Folgen zu vermeiden, die beispielsweise im Abfeuern von Raketen in Reaktion auf von diesen Radarsignalen abgeleiteten Positionsinformationen bestehen können. Das Flugzeug ist mit Geräten zur elektronischen Kriegsführung ausgestattet, die zu erkennen geben, wenn das Flugzeug durch ein solches Radar angestrahlt wird. Der Pilot muß mit einem aktiven Stören beginnen und Ausweichmanöver ausführen, um die Folgen solcher Bodenabwehrsysteme zu vermeiden.
Um Kampfpiloten wirksam zu schulen, werden Übungsflüge über Übungsgeländen durchgeführt, die simulierte Raketenabwehrsysteme aufweisen. Diese simulierten Raketenabwehrsysteme weisen Radarbaken auf, die das Feuerleitradar von Raketenabwehrsystemen simulieren.
Um die Leistung eines Piloten unter diesen Übungsbedingungen zu bewerten, ist es erforderlich, die Position des Flugzeugs beim Bewegen durch das Übungsgelände genau zu überwachen. Gegenwärtig wird diese Position durch ein genaues bodengestütztes Verfolgungsradar oder zusammenwirkende elektronische Baugruppen am Flugzeug erreicht. Während des Übungsflugs wird die Position des Flugzeugs fortlaufend überwacht, und die Leistung des Piloten beim Ausführen von Ausweichmaßnahmen wird überwacht.
Die Radarverfolgungssysteme zum Positionsverfolgen von Militärflugzeugen über diesen Übungsgeländen sind kostspiehg. Eine Verlegung des Testgebiets, um ein unterschiedliches Gelände zu bieten, in dem ein Pilot üben soll, erfordert die Verlagerung dieser hochentwickelten Boden-Verfolgungsradars. Die mit der erneuten Einrichtung eines neuen Testgebiets verbundenen Kosten und Schwierigkeiten werden durch ein gemäß dieser Erfindung vorgesehenes Verfolgungssystem vermieden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, ein Verfolgungssystem zum Überwachen der Position von Militärflugzeugen über einem Testgelände sowie ein entsprechendes Verfahren zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, für die genaue Positionsbestimmung von Militärflugzeugen während einer Übung zu sorgen, ohne das Flugzeug mit umfangreichen zusätzlichen elektronischen Geräten zu belasten.
Diese und andere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst, die im beigefügten Systemanspruch 1 und dem Verfahrensanspruch 16 festgelegt ist. Der Systemanspruch legt ein System zum Verfolgen eines Flugzeugs über einem Gebiet fest, wobei das Flugzeug mit einem Transponder ausgerüstet ist, der so ausgelegt ist, daß er bei Abfrage durch einen Sender ein das Flugzeug kennzeichnendes Signal abgibt, wobei das System umfaßt: wenigstens drei in Abstand voneinander angeordnete, jeweils mit einem Empfänger zum Empfangen von Signalen des Transponders ausgerüstete Bodenstationen; einen die Bodenstationen verbindenden Nachrichtenkanal; sowie eine Einrichtung zum Empfangen von Informationen über den Nachrichtenkanal, die die Ankunftszeiten eines vom Transponder auf dessen Abfrage hin ausgesendeten Signals an den Bodenstationen kennzeichenen, sowie zum Berechnen der Position des Flugzeugs aus den Ankunftszeiten, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß am Flugzeug ein Transponder-Auslöse sender zum Abfragen des Transponders, um das Aussenden des Signals zu veranlassen, angebracht ist.
Ein Luftverkehrs-Kontrollsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (wie vorausgehend ausgeführt) ist in PHILLIPS RESEARCH REPORTS, Band 24, Ergänzungen, 1969, Nr. 2 in einem Artikel mit dem Titel "Elements for a New Departure in Air- Traffic Control" von C.G.H. Scholten beschrieben. In dem System nach Scholten ist weiterhin das Vorsehen eines Senders zum Abfragen des Flugzeug-Transponders offenbart, aber der Sender ist ein bodengestützter Sender und nicht, wie in der vorliegenden Erfindung, ein sich an Bord des Flugzeugs befindender Sender. Das System von Scholten ist ein ständiges Luftverkehrs-Kontrollsystem und ist nicht gut zum Lösen der Aufgaben der vorliegenden Erfindung geeignet. Insbesondere richtet sich das System von Scholten nicht auf die vorausgehend erwähnten Probleme eines Umzugs noch löst es diese.
In der im folgenden anhand spezieller Ausführungsbeispiele beschriebenen vorliegenden Erfindung wird als Quelle von Verfolgungsdaten ein an Bord des Flugzeugs befindliches herkömmliches Transpondergerät verwendet. Aussendungen des Flugzeug-Transponders werden in einem inversen Langstreckennavigations("Loran")-Positiersystem zum Festlegen der Längenund Breitenkoordinaten des Flugzeugs verwendet. In dem inversen Loran-Positioniersystem sind mehrere Empfangsstationen um das Testgelände herum angeordnet. Durch das Testgelände fliegende Flugzeuge weisen einen Transponder-Auslösesender auf, der einen herkömmlichen an Bord des Flugzeugs befindlichen IFF-Transponder abfragt, so daß seine Höhe und Kennung zu den Boden-Empfangsstationen gesendet wird. Die Boden-Empfangsstationen weisen genaue Zeitgeber auf, die miteinander synchronisiert sind. Die synchronisierten Empfangsstationen registrieren die Ankunftszeit einer Datenübertragung durch den an Bord des Flugzeugs befindlichen Transponder.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine jede der Empfangsstationen über einen Breitband-Datenkanal mit einer Hauptempfangsstation verbunden. Dieser Zweiweg- Datenkanal ermöglicht es, daß die Hauptstation die Zeitgeber der fernen Stationen geeicht und die von dem das Testgelände durchquerenden Flugzeug abgegebenen Daten empfängt, die die Ankunftszeit von Transponder-Datenübermittlungen an den Empfangsstationen kennzeichnen.
Unter Verwendung von Loran-Techniken kann die Hauptstation X-Y-Koordinaten des Flugzeugs aus Ankunftszeitinformationen berechnen, die von einer jeden der jeweiligen Empfangsstationen erzeugt werden. Weiterhin sind als Teil der Antwort des IFF-Transponders übertragene Höheninformationen verfügbar, um die Höhe des Flugzeugs ständig zu überwachen.
Bei Verwendung des vorausgehenden Systems braucht das Flugzeug lediglich einen kleinen Transponder-Auslösesender zum Abfragen des Standard-IFF-Transponders im Flugzeug aufzuweisen. Der Transponder-Auslösesender kann so ausgelegt sein, daß er den IFF-Transponder asynchron abfragt, was die Möglichkeit von Konflikten mit Antworten von anderen Flugzeug- Transpondern in der allgemeinen Umgebung verringert.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, ein TACAN-Abfragesystem im Flugzeug mit dem IFF-Transponder zu vernetzen. In dieser Ausführungsform wird die Übertragung eines TACAN-Impulses zum Einleiten des Abfragens des Flugzeug-IFF-Transponders verwendet. Eine jede der Empfangsstellen empfängt nicht nur die Höhendaten enthaltende IFF- Antwort, sondern auch den TACAN-Impuls. Falls einem jeden Flugzeug vorab eine TACAN-Frequenz zugewiesen wird, können die Höhe und die TACAN-Frequenz miteinander in Wechselbeziehung gebracht werden, so daß die Kennung des Flugzeugs bekannt ist.
Das vorausgehende System ermöglicht die Gestaltung eines Testgeländes mit genauen Positionsgestellen und Nachrichtensystemen für ein genaues Überwachen der Flugzeugposition, ohne daß ein aktives Radar erforderlich ist.
In anderer Hinsicht sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verfolgen eines Flugzeugs über ein Gebiet vor, wobei das Flugzeug mit einem Transponder ausgerüstet ist, der so ausgelegt ist, daß er bei ein Abfrage durch einen Sender ein das Flugzeug kennzeichnendes Signal aussendet, wobei in dem Gebiet in Abstand voneinander wenigstens drei Bodenstationen angeodnet werden, deren jede mit einem Empfänger zum Empfangen von Signalen des Transponders ausgerüstet ist und die durch einen Nachrichtenkanal miteinander verbunden sind; wobei der an Bord eines sich in dem Gebiet aufhaltenden Flugzeugs vorhandene Transponder periodisch abgefragt wird, so daß er das Erkennungssignal periodisch aussendet; wobei Ankunftszeitinformationen gewonnen werden, die die Ankunftszeiten der von dem Transponder ausgesandten Signale an den Bodenstationen angeben, und die Ankunftszeitinformationen über den Nachrichtenkanal zusammengestellt und daraus die Position des Flugzeugs berechnet wird; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der Flugzeug-Transponder durch einen Transponder-Auslösesender am Flugzeug abgefragt wird.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt und werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung verständlich.

Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist ein Entwurf eines Systems zum Anordnen eines Übungsgeländes dargestellt, das die Position von Flugzeugen in einer Umgebung einer elektronischen Kriegführung genau bestimmt.
In Figur 2 ist ein an Bord eines Flugzeugs befindliches Gerät dargestellt, das es ermöglicht, daß ein IFF-Transponder als Radiobake zum Verfolgen des Flugzeugs dient.
In Figur 3A sind die in Standard-IFF-Transpondergeräten verwendeten Abfrage-Moden dargestellt.
In Figur 3B sind die in Reaktion auf Abfrageimpulse erzeugten Transponder-Antwortcodes dargestellt.
In Figur 4 ist die typische Empfangsstation zum Empfangen von Positionsinformationen des Flugzeugs bei Übungsmanövern dargestellt.
Figur 5 ist ein Blockdiagramm der Hauptempfangsstation des Übungsgeländes.
In Figur 6 ist eine nähere Einzelheit des Aufbaus einer Empfangsstation, eines Nachrichten-Assemblers und eines Eichgeräts dargestellt.
In Figur 7 ist ein Flugzeuggerät dargestellt, in dem der vernetzte TACAN- und IFF-Transponder zur Verwendung als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In Figur 8 ist die Empfangseinrichtung für eine vernetzte TACAN-IFF-Anwendung dargestellt.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist ein Flugzeug-Übungsgelände gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Flugzeug-Übungsgelände weist Ränder auf, die durch ein Viereck gekennzeichnet sind, wobei die Ecken eines jeden Vierecks eine Empfangsstation 15, 16, 17 und 18 umfassen. Eine der Empfangsstationen, nämlich 15, ist eine Hauptstation, die über einen Zweiweg-Nachrichtenkanal Daten von den anderen Empfangsstationen erfaßt.
Bei der Benutzung weist das Übungsgelände mehrere Bodenradar-Simulationsquellen 8 auf. Das Flugzeug 11, 12 fliegt in Richtung der Radar-Simulationsbaken und vollführt Ausweichmanöver.
Beim Durchführen solcher Übungen ist es erforderlich, die Position des Flugzeugs während des Flugs durch das Übungsgelände genau zu kennen.
Die bordeigene Transponderausrüstung wie die in Militärflugzeugen und Verkehrsflugzeugen enthaltenen herkömmlichen IFF-Transponder wird durch einen ebenfalls am Flugzeug 11, 12 befestigten Transponder-Auslösesender periodisch abgefragt. Der abgefragte Transponder sendet die erforderliche Antwort, die die Höhen- und Erkennungsinformationen des Flugzeugs enthält.
Jede der Empfangsstationen 15, 16, 17 und 18 weist eine lokale Uhr auf, die mit der lokalen Uhr der Hauptstation 15 synchronisiert ist. Die Ankunftszeit der Datenübermittlungen der Transponder wird an jeder Station registriert und über einen Nachrichtenkanal zur Hauptstation 15 übertragen. Wie aus herkömmlichen Grundsätzen der Langstreckennavigation bekannt ist, kann die Ankunftszeit von wenigstens drei (3) Stationen verwendet werden, um den Ort des Flugzeugs hinsichtlich der Länge und der Breite zu bestimmen. Es können zusätzliche Stationen verwendet werden, woraus sich eine Redundanz und eine Erhöhung der Genauigkeit der Positionsmessung ergibt.
Die Ankunftszeitinformation wird auch in anderen Loran- Systemen verwendet. Wie im US-Patent 4 688 046 beschrieben ist, können zwei Empfangsstationen eine Positionslinie für ein Flugzeug festlegen, die auf einer Ankunftzeitdifferenz einer Funkübertragung eines Flugzeugs beruht. Die Position entlang der Linie kann durch eine dritte Empfangsstation gekennzeichnet werden, die die Erzeugung einer zweiten Positionslinie ermöglicht, die die erste Positionslinie schneidet.
Die Hauptstation 15 weist einen Computer auf, der für jede der Empfangsstationen eine Wertetafel mit Ankunftszeitmessungen erstellt, wenn sich das Flugzeug durch das Übungsgelände bewegt. Die Hauptstation bestimmt die Position des Flugzeugs für jeden Zeitpunkt, in dem sich das Flugzeug über dem Übungsgelände befindet. Der IFF-Transponder sendet eine Höhenmessung als Teil seiner Antwort auf den Abfrageimpuls sowie eine Flugzeugkennung, so daß die Ankunftszeitinformation zum Bestimmen der Länge und der Breite des Flugzeugs sowie die Höheninformation zur Bewertung der Übung zur Verfügung stehen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Transponder-Auslösesender am Flugzeug angebracht, um den IFF-Transponder in periodischen Abständen abzufragen, der gewöhnlich am Flugzeug bereitgestellt ist. Hierdurch wird der verfügbare IFF-Transponder verwendet, ohne daß das Flugzeug mit zusätz lichen Geräten belastet wird. Der Transponder-Auslösesender ist eine kleine Baugruppe, die mit herkömmlichen Mitteln am Flugzeugfahrgestell oder am Waffenhalter befestigt ist.
In Figur 2 ist die vom Flugzeug getragene Gerätebaugruppe zum periodischen Aussenden standardmäßiger IFF-Antworten dargestellt. Der Transponder-Auslösegenerator 22 erzeugt die in Figur 3A dargestellten Standard-Abfrageimpulse auf Zufallsbasis. Der Transponder-Auslösegenerator 22 wird unter Verwendung einer Zufalls-Auslöseeinrichtung 21 auf zufälliger Basis aktiviert. Durch zufälliges Verteilen des Abfragens des IFF-Transponders 27 kann die Möglichkeit von Konflikten mit den Antworten anderer Flugzeuge in der Nähe des betrachteten vermieden werden.
Der Transponder-Auslösegenerator 22 weist eine kleine Antenne 23 zum Senden zur Antenne 26 des IFF-Transponders 27 auf. Der Transponder-Auslösegenerator 22 und die Zufalls- Auslöseeinrichtung 21 sind zweckmäßig in einem Bereich des Flugzeugs befestigt, der ein zuverlässiges Abfragen des IFF- Transponders 27 ermöglicht. Die Transponder-Auslösebaugruppe kann zweckmäßig an einem Waffenträger befestigt sein, der an Militärflugzeugen vorgesehen ist. An diesen Waffenträgern steht gewöhnlich elektrische Leistung zur Versorgung des Transponder-Auslösegenerators 22 und der Zufalls-Auslöseeinrichtung 21 nach Figur 2 zur Verfügung.
Wie in Figur 3A dargestellt ist, könnte die Transponder- Auslösebaugruppe aus Figur 2 Abfrageimpulse in einem C-Modus aussenden, so daß die Höhe des Flugzeugs wiederholt zum Boden übertragen würde. Die Transponder-Auslösebaugruppe 21, 22 fragt den Transponder gemäß einem A- und dem C-Modus ab. Der A-Modus löst in Figur 3A dargestellte Abfrageimpulse P&sub1;, P&sub2; und P&sub3; aus. Dies löst eine in Figur 3B dargestellte Transponderantwort mit einem die Kennung des Flugzeugs festlegenden Impulsmuster aus. Die Abfragevorgänge im C-Modus folgen 125 Mikrosekunden später und erzeugen eine Transponderantwort, die die Höhe des Flugzeugs kennzeichnende Daten enthält. Der Nennabstand zwischen aufeinanderfolgenden Antwortpaaren beträgt 50000 Mikrosekunden, jedoch ist ein interner Zeitbasisgenerator mit dem Pseudozufalls-Auslösegenerator 22 kombiniert, so daß sich die tatsächliche Zeitspanne statistisch ändert.
Durch ein derartiges Auslösen des Transponders 27 wird die Wahrscheinlichkeit von Konflikten bei Flugzeugen verringert, die dicht benachbart sind und zufällig ausgelöste Übertragungen von Transpondern 27 aufweisen.
Die in Figur 1 dargestellten Bodenstationen erfassen die Kennungsinformation von einem Abfragen in einem 3a-Modus und die Höheninformation von einem Abfragen im C-Modus und bringen sie in Wechselbeziehung. Diese Daten werden mit einem konstanten Abstand von 125 Mikrosekunden empfangen, wodurch es den Bodenstationen leicht gemacht wird, die Flugzeugkennung mit dessen Höhe in Beziehung zu bringen.
Der Transponder-Auslösegenerator 22 kann einen daran angeschlossenen Deaktivierungsschalter 24 aufweisen. Der Deaktivierungsschalter 24 wird freigegeben, sobald das Flugzeug zum Boden zurückgekehrt ist, wodurch ein Auslösen des IFF-Transponders 27 verhindert wird, bis ein weiterer Übungsablauf beginnt. Der Schalter 24 kann an die Landungsausrüstung angeschlossen sein und betätigt werden, wenn sich das Flugzeug am Boden befindet.
In Figur 4 ist ein Blockdiagramm der fernen Empfangsstellen 16, 17 und 18 dargestellt. In Figur 4 ist eine Breitbandnachrichten-Sende-/Empfangsstation 31 dargestellt, die an eine Mikrowellenantenne 30 angeschlossen ist, welche so positioniert ist, daß sie Daten zur Hauptempfangsstation 15 überträgt. Der Breitband-Nachrichtenkanal ermöglicht das Synchronisieren der lokalen Zeitgeber 36 an jedem der fernen Empfangsorte mit dem Hauptzeitgeber an der Hauptstation 15. Weiterhin werden die wiedergewonnenen Antwortdaten des IFF- Transponders und die Ankunftszeitinformationen über diesen Breitband-Nachrichtenkanal zur Hauptstation 15 rückübertragen.
Die Antworten des IFF-Transponders 27 werden bei der üblichen IFF-Antwortfrequenz von 1090 MHz von einer Antenne 33 empfangen. Der IFF-Empfänger und -Decoder 34 liefert drei unterschiedliche Datenmengen. Die als Teil der Modusabfrage des Flugzeug-Transponders 27 gesendeten herkömmlichen Kennungs- und Höhendaten werden decodiert und zu Ausgabeanschlüssen 39 und 40 übertragen. Die Ankunftszeit der Höhen- oder Kennungsinformation wird für jede Übertragung der Transponderantwort berechnet. Diese Ankunftszeitdaten treten am Ausgabeanschluß 38 auf.
Die Ankunftszeitdaten bezeichnen diejenige durch den IFF-Empfänger registrierte Zeit, zu der die Rahmenimpulse einer Antwort empfangen werden. Ein Zähler innerhalb des 1FF- Empfängers 34, der durch einen Echtzeitgeber 36 gesteuert wird, registriert das Auftreten eines jeden empfangenen Impulsereignisses und wird nach dem erfolgreichen Decodieren der Kennungs- und Höheninformation gelöscht. Auf diese Weise kann eine Ankunftszeit für die Impulsfolge, basierend auf einem laufenden Mittelwert der Ankunft der Rahmenimpulse oder auf der Ankunft der Kennungs- oder der Höhendaten, berechnet werden, je nachdem, wie es der Entwickler des Systems wählt.
Ein Nachrichtenassembler 47 stellt die Echtzeit-Ankunftsdaten, die Kennungsdaten und die Höhendaten zu einer Nachricht zum Aufmodulieren auf das Trägersignal des Breitband-Nachrichtenkanals zusammen. Die Breitband-Datenübertragungsstation 31 empfängt diesen modulierten Datenstrom und überträgt ihn zur Hauptstation 15.
Damit die Hauptstation korrelierte Ankunftszeitdaten für jede der Empfangsstellen empfängt, ist es erforderlich, daß der Echtzeitgeber 36 an jeder Empfangsstelle synchronisiert ist. Daher liefert der Breitband-Datenkanal während einer Eichsignalfolge Eichdaten von der Hauptstation 15, die verwendet werden, um jeden Zeitgeber 36 an jeder Empfangsstelle zu synchronisieren, so daß die Ankunftszeitdaten eines jeden Empfängers mit denen der anderen Empfänger bei tatsächlichen Probeläufen synchronisiert sind.
Ein Echtzeitgeber-Eich- und Steuerschaltwerk 49, das später in näheren Einzelheiten beschrieben wird, wird während einer Eichzeitspanne zum Empfangen von Zeitgeberdaten des Breitband-Nachrichtenkanals zum Decodieren dieser Daten und zum Liefern eines Frequenz-/Phasen-Steuersignals 43 an den Echtzeitgeber 36 verwendet. Dieses Frequenz- /Phasensteuersignal ergibt sich aus dem Vergleichen der tatsächlichen Zeit des Echtzeitgebers 36 mit einer von der Hauptstation 15 empfangenen Echtzeit über einen Ausgabeanschluß 42. Auf diese Weise können alle Empfangs-Echtzeitgeber 36 synchronisiert werden.
Die Hauptempfangsstation ist in Figur 5 dargestellt und ähnelt sehr den in Figur 4 dargestellten fernen Empfangsstationen. Ein an eine IFF-Antenne 71 angeschlossener IFF- Empfänger 68 empfängt an der Hauptstelle Ankunftszeitdaten sowie Kennungs- und Höheninformationen aus einer Transponder antwort. Der Nachrichtenassembler 69 ordnet diese Nachricht in einen Rahmen ein, der zu einer Zentralverarbeitungseinheit 66 übertragen werden kann.
Ahnliche Nachrichten werden von jeder der drei fernen Empfangsstellen über einzelne Datenkanäle empfangen. Ein Breitband-Datenkanal, der die Sende-/Empfangsstation 61 umfaßt, wird zum Datenaustausch mit der ersten fernen Empfangsstelle verwendet. Weitere Datenübertragungsstationen 63 tauschen Daten mit den übrigen fernen Empfangsstellen aus.
Die Zentralverarbeitungseinheit 66 kann das zusammengestellte Datenpaket erfassen, das Höhen-, Kennungs- sowie Zeit- oder Ankunftsdaten von jeder der fernen Stellen aufweist. Die Zentralverarbeitungseinheit 66 ist ein Digitalcomputer für allgemeine Zwecke, der eine Wertetafel für jede Empfangsstation aufweist, in der das neueste Paket empfange ner Positions- und Kennungsdaten von jeder Empfangsstelle gespeichert ist.
Auf diese Weise können vier Tabellen innerhalb der Zentralverarbeitungseinheit 66 aufgebaut werden, die die Kennungs- und die entsprechenden Höhen- und Ankunftszeitdaten für jedes in das Übungsgelände eintretende Flugzeug kennzeichnen. Diese Wertetafeln können Ankunftszeitdaten für mehr als ein Flugzeug enthalten, da jede Ankunftszeit mit jeder Flugzeugkennung in Beziehung steht.
Es ist weiterhin möglich, ein Computerprogramm vorzusehen, das den Flugzeugsteuerkurs und die Bodengeschwindigkeit aus den Positionskoordinaten berechnet, die fortlaufend aus den Ankunftszeitinformationen berechnet werden. Auf diese Weise können die entsprechende Fluggeschwindigkeit gegen Luft und die Ortung unter Verwendung einer Änderung in den Positionsdaten berechnet werden.
Die Breite und die Länge können aus an drei Empfangsstellen gewonnenen Ankunftszeitdaten berechnet werden, wie Personen, die mit der Langstreckennavigation vertraut sind, erkennen werden. Der vierte Ankunftszeit-Datenposten kann verwendet werden, um eine Reihe von zwischen Kombinationen von drei Empfangsstationen auszuführender Berechnungen zu ermöglichen. Jegliche Datenfehler können zugunsten der drei am stärksten korrelierten Berechnungen zur Bestimmung der Längenposition und der Breitenposition ausgeschaltet werden. Mitteilungen der Positionskoordinaten von Flugzeugen im Übungsgelände können über Telefonverbindungen gesendet werden oder lokal in üblicher Weise angezeigt werden.
Das Eichen einer jeden der Empfangsstellen erfordert lediglich, daß die Zeitgeber an jeder Empfangsstelle synchronisiert sind. Die Zeit des RTR-Hauptzeitgebers 67 kann über die durch Sende-/Empfangsstationen 61 bis 63 vertretenen Datenkanäle zu jeder der Empfangsstellen übertragen werden. Man erkennt, daß zum Erreichen einer genauen Synchronisierung zwischen entfernt angeordneten Zeitgebern und dem Hauptzeitgeber 67 eine Eichung an jeder Empfangsstation erforderlich ist, um eine Laufzeitverzögerung beim Senden der Zeitgeberinformation von der Hauptstation zu jeder der Empfangsstationen auszugleichen.
In Figur 6 ist in näheren Einzelheiten dargestellt, wie das Eichen lokaler Zeitgeber an den fernen Empfangsstellen bewirkt wird, das die an den Nachrichtenkanälen auftretende Laufzeitverzögerung ausgleicht.
Der Empfangsteil der Datenübertragungsstation 34a weist, wie dargestellt, einen Ausgang auf, der über einen Eingang 45 direkt an den lokalen Zeitgeber 36 oder an eine Laufzeitverzögerungs-Einstellschaltung 49a angeschlossen werden kann. Ein Schalter 52 kann so gesteuert werden, daß die Zeitgeberfrequenz kennzeichnende Daten vom Empfangskanal 34a zum lokalen Zeitgeber 36 übertragen werden. Weiterhin können über den Empfangskanal 34a gesendete Prüfsignale über den Schalter 52 durch die Laufzeitverzögerungs-Einstellschaltung 49a und über den Schalter 52 zurück zum Sendekanalteil 34b der Station 34 geleitet werden. Während einer Eichzeitspanne überträgt die Hauptstation einen Ton über den Breitband-Datenkanal zum Empfangsteil 34a der fernen Datenübertragungsstation. Der Empfangston tritt in die Laufzeitverzögerungs-Einstellschaltung 49a ein und wird über den Schalter 52 zum Sender 34b der Breitband-Datenübertragungsstation übertragen. Die Datenübertragungs-Laufzeitverzögerungseinstellungen 49a und 49b werden parallel zueinander eingestellt, so daß die Laufzeitverzögerung vom Eingang des Empfängers 34a zum Ausgang des Senders 34b keine Netto-Phasenverschiebung für hereinkommende und austretende Töne aufweist. Wenn die Laufzeltverzögerungs- Einstellschaltung 49b so eingestellt ist, daß sie 49a gleicht, werden Verzögerungen innerhalb der Empfangsstation wirksam ausgeglichen.
Auf diese Weise wird der vom Sender 34b rückübertragene Ton, wenn er an der Hauptstation empfangen wird, Verzögerungen aufweisen, die lediglich vom Datenübertragungsweg herrühren und sich grundsätzlich aus der Entfernung zwischen der Empfangsstation und der Hauptstation ergeben. An der Hauptstation werden die hereinkommenden Töne bezüglich des austretenden Tons gemessen. Auf diese Weise kann eine genaue Messung der Zeitverzögerung zwischen der Empfangs- und der Sendestation durchgeführt werden. Dieser Wert bezeichnet die Zweiwegeverzögerung für die Weglänge zwischen der Hauptempfangsstation und der fernen Empfangsstation. Beim Senden einer Zeit des lokalen Zeitgebers von der Hauptstation wird diese Zweiwegeverzögerung durch zwei geteilt, und eine berichtigte lokale Zeit wird von der Hauptstation zum empfangenden lokalen Zeitgeber 36 übertragen. An den fernen Stationen werden die lokalen Zeitgeber 36 mit einer hinsichtlich der Laufzeitverzögerung berichtigten Zeit des Zeitgebers geeicht.
Jede der Empfangsstellen wird lokale Zeitgeber 36 aufweisen, die so geeicht sind, daß die Ankunftszeit von Transponderantworten an jeder Stelle in ein entsprechendes Register 47c geladen wird. Diese Ankunftszeitdaten können typisch bis zu 20 Bit breit sein und das gesamte Antwortpaar, Höhe und Kennung einschließen. Die Ankunftszeit kann gegenüber einem jeden der Antwortbits gemessen werden, die sich im Register 47c befinden.
In den vorausgehenden Systemen wird der Transponder 27, der bisher in Flugzeugen verwendet wurde, zusammen mit einem Transponder-Auslösegenerator 22 benutzt, der sich bequem an einer Waffenhalterung am Flugzeug befestigen läßt.
Als eine weitere Technik zum Eichen der Empfangszeitgeber kann ein Eichtransponder 9 in dem Übungsgelände angeordnet sein, wie in Figur 1 dargestellt ist. Der Transponder 9 wird ebenfalls in einem Transponder-Auslösemodus betrieben und arbeitet vorzugsweise bei einer geringeren Transponder- Auslöserate, die beispielsweise bei einer Übertragung pro Sekunde liegt, wobei eine Kennungs- und eine Höhenübertragung ausgesendet werden, die durch eine jede der Empfangsstationen 15 bis 18 empfangen werden. Die Abstände zwischen einer jeden der Empfangsstationen und dem Transponder 9 ist vorab bekannt. Jede Empfangsstation registriert die Ankunftszeit, indem ihr interner Empfangszeitgeber ebenso wie beim Verfolgen eines Flugzeugs durch den Abschnitt verwendet wird. Die Ankunftszeit dieser Übertragungen wird der Hauptstation mitgeteilt. Da die Entfernungen zu jeder Station bekannt sind, ist weiterhin eine erwartete Ankunftszeit für jede dieser Entfernungen bekannt. Der Computer der Hauptstation vergleicht die Daten der erwarteten Ankunftszeit mit den Daten der tatsächlichen Ankunftszeit. Die Hauptstation kann Zeitgeber-Verschiebungskorrekturen für jeden Echtzeitgeber der Empfangsstationen berechnen und von einem Zielflugzeug empfangene nachfolgende Ankunftszeitinformationen ändern. Bei dieser Eichtechnik ist kein nach außen führender Datenkanal von der Hauptstation zu einer jeden Empfangsstation erforderlich. Weiterhin ermöglicht dies ein Überprüfen der Arbeitsweise des Verfolgungssystems bevor Messungen während des Fluges beginnen.
Im Hinblick auf ein zum vorhergehend beschriebenen alternativen Ausführungsbeispiel sei bemerkt, daß viele Militärflugzeuge sowohl eine IFF- als auch eine TACAN-Navigationsausrüstung aufweisen. Der TACAN-Sender am Flugzeug fragt Positionsortungs-Transponder am Boden ab. Anstatt einen Transponder-Auslösesender zu verwenden, kann ein auf TACAN- Abfrageimpulsen beruhendes Abfragen im C-Modus des IFF-Transponders des Flugzeugs eingeleitet werden.
In diesem Ausführungsbeispiel kann eine in Figur 7 dargestellte vernetzte Schaltung verwendet werden, so daß vom Flugzeug ausgesendete TACAN-Abfragedaten zum Abfragen des IFF-Transponders verwendet werden.
Eine Kristall-Bilderfassungseinrichtung 71 ist als an eine kleine Empfangsantenne 70 angeschlossen dargestellt. TACAN-Abfrageimpulse, die Hochfrequenzimpulse mit einer Stärke von mehreren hundert Watt sind, werden durch die Erfassungseinrichtung 71 empfangen. Der sich hieraus ergebende Impuls wird im Decoder 72 decodiert. Ein von einer Verzögerungsschaltung 73 gelieferter verzögerter Impuls wird zum Abfragen im C-Modus von einem Sender 75 verwendet. Anstatt den Sender auf einer asynchronen Basis zu tasten, wie es in dem vorherigen Ausführungsbeispiel vorgeschlagen wurde, kann das Abfragen im C-Modus als Reaktion auf einen TACAN-Impuls durchgeführt werden. Das Abfragen im C-Modus wird, wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel, über eine Antenne 77 geliefert, um den IFF-Transponder abzufragen.
Durch Verwenden der TACAN-Abfrageimpulse zum Auslösen eines Abfragens im C-Modus ist eine Möglichkeit gegeben, Transponderantworten auf das Abfragen im C-Modus zu erkennen, ohne daß ein Abfragen des IFF-Senders im Modus 1, 2 oder 3 erforderlich wäre.
Wie in Figur 8 dargestellt ist, können die fernen Stellen einen TACAN-Empfänger ebenso wie einen IFF-Empfänger und -Decoder aufweisen. Der spezielle Kanal des TACAN-Empfängers, der eine mit einer an der Empfangsstelle empfangenen IFF- Antwort in Beziehung stehende TACAN-Abfrage empfängt, kann zum Erkennen des Flugzeugs verwendet werden. Da die TACANAnfrage die IFF-Antwort einleitet, stehen sie zeitlich miteinander in Beziehung, was es der fernen Empfangsstelle ermöglicht, die Höhe mit der Kennung in Beziehung zu setzen.
An der fernen Empfangsstelle überträgt eine TACAN-Antenne 78 jeden empfangenen TACAN-Impuls zu einem TACAN-Empfänger 79. Das Flugzeug wird abhängig von der Frequenz des TACAN- Impulses erkannt. Verschiedenen Flugzeugen werden vorab unterschiedliche TACAN-Frequenzen zugewiesen.
Die IFF-Antenne 81 an der fernen Empfangsstelle ist an den IFF-Empfänger und -Decoder angeschlossen. Die Höhen- und Ankunftszeitinformationen werden durch einen Nachrichtenassembler 87 erneut übersetzt. Der Echtzeitgeber 84 wird durch die Eich- und Steuerschaltung 88 geeicht, wie bezüglich des vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Ein Breitband-Datenkanal wird durch eine Datenstation 85 vorgesehen. Die Eichung wird ebenso wie modulierte Positionsdaten über die Breitband-Datenübertragungsstation 85 zur Hauptstation rückübertragen.
Auf diese Weise ist es in beiden Ausführungsbeispielen möglich, bestehende IFF-Geräte und/oder TACAN-Geräte zum genauen Orten eines auf einem Übungsgelände operierenden Flugzeugs zu verwenden. Während der Übung, bei der das Flugzeug durch simulierte Feuerleit-Radarstationen geleitet wird, sind die Höhe, die Kennung und die Längen- und Breitenkoordinaten für das Flugzeug bekannt. Das System erlaubt das Erreichen dieser genauen Ortung, ohne das Flugzeug mit zusätzlichen Geräten, abgesehen von einem Transponder-Auslösesender oder einer anderen Einrichtung, zum Abfragen des IFF-Transponders zu belasten. Diese Zusatzausrüstung ist jedoch sehr gering und kann bequem an einer Waffenbefestigung am Flugzeug befestigt werden.
Bei der Erörterung der obigen Ausführungsbeispielen wurde angenommen, daß die Höheninformation aus der Antwort im C-Modus des IFF-Transponders an Bord des Flugzeugs abgeleitet werden würde. Fachleute werden erkennen, daß es durch Verwendung von Ankunftszeitverfahren möglich ist, die Höhe des Flugzeugs zu bestimmen, wenn eine der Empfangsstationen höher angeordnet ist als die übrigen Empfangsstationen. Auf diese Weise ermöglichen die Höhenunterschiede der Empfangsstationen nicht nur das Ableiten von Längen- und Breiten-Positionskoordinaten, sondern auch von Höhenkoordinaten, die zur Kontrolle von Höhenmessungen durch den IFF-Transponder oder zur unabhängigen Berechnung der Höhe verwendet werden können.
Das obige Ausführungsbeispiel dient nur als Beispiel einer militärischen Übungsanwendung der Erfindung. Es ist klar ersichtlich, daß die Erfindung auch auf andere militärische und nicht-militärische Systeme anwendbar ist. Ein Beispiel für solche anderen Anwendungen ist das Überwachen der geographischen Grenzen von Flughäfen hinsichtlich des Vorhandenseins unbefugter Flugzeuge sowie ihrer Längen- und Breitenkoordinaten. Gegenüber herkömmlichen Polarkoordinaten verwendenden Verfolgungssystemen ist ein verbessertes Verfolgen und Überwachen dieser Flugzeuge möglich, wodurch ein höheres Maß an Sicherheit bei den Flughäfen möglich ist als dies gegenwärtig verfügbar ist.

Claims

1. System zum Verfolgen eines Flugzeugs über ein Gebiet, wobei das Flugzeug mit einem Transponder (27) ausgerüstet ist, der so ausgelegt ist, daß er bei Abfrage durch einen Sender ein das Flugzeug kennzeichnendes Signal aussendet, umfassend

wenigstens drei in Abstand voneinander angeordnete, jeweils mit einem Empfänger zum Empfangen von Signalen des Transponders (27) ausgerüstete Bodenstationen (15 - 18), einen die Bodenstationen verbindenden Nachrichtenkanal (30, 31), und

eine Einrichtung (66) zum Empfangen von Informationen über den Nachrichtenkanal, die die Ankunftszeiten eines von dem Transponder (27) auf dessen Abfrage hin ausgesendeten Signals an den Bodenstationen kennzeichnen, sowie zum Berechnen der Position des Flugzeugs aus den Ankunftszeiten, dadurch gekennzeichnet, daß am Flugzeug ein Transponder- Auslösesender (22) zum Abfragen des Transponders, um das Aussenden des Signals zu veranlassen, angebracht ist.

2. System nach Anspruch 1, wobei der Transponder (27) am Flugzeug ein IFF-Transponder ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Empfangs- und Recheneinrichtung (66) so ausgelegt ist, daß sie die Geschwindigkeit des Flugzeugs gegenüber Luft und seinen Kurs berechnet.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mehreren in Abstand voneinander angeordneten simulierten Boden- Radarquellen (8), gegenüber denen das Flugzeug Ausweichmanöver vornehmen kann.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfangs- und Recheneinrichtung (66) einen Digitalcomputer aufweist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Nachrichtenkanal zwischen einer der Bodenstationen (15) und den übrigen Bodenstationen (16 - 18) bidirektional und die besagte eine Bodenstation (15) so ausgelegt ist, daß sie über diesen Nachrichtenkanal Taktsynchronisationsdaten an die übrigen Bodenstationen (16 - 18) überträgt.

7. System nach Anspruch 6, wobei der Transponder (27) so ausgelegt ist, daß er in seinen ausgesendeten Signalen Höheninformationen aufweist, wobei an den übrigen Bodenstationen (16 - 18) ein nachrichtenassembler (47) zum Übersetzen einer einen Signalankunftszeit- und einen Höhenhinweis enthaltenden Nachricht vorgesehen ist, und wobei der Nachrichtenassembler so ausgelegt ist, daß er die Nachricht über den Nachrichtenkanal an die eine Bodenstation (15) überträgt.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung (24), die Sendevorgänge des Transponders (27) verhindert, wenn sich das Flugzeug am Boden befindet.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sender (22) an einem Waffenträger des Flugzeugs befestigt ist.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sender (22) durch einen am Flugzeug vorgesehenen Zufalls- Auslösegenerator (21) aktivierbar ist.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Sender (22) durch einen am Flugzeug vorgesehenen TACAN-Abfragegenerator aktivierbar ist.

12. System nach Anspruch 11, wobei der Sender (22) auf eine einzige, dem Flugzeug zugeordnete TACAN-Impulsfrequenz ansprechend aktivierbar ist.

13. System nach Anspruch 12, wobei jede Bodenstation (15 - 18) mehrere TACAN-Impulsfrequenzen empfangen kann und so ausgelegt ist, daß sie das jeweilige Flugzeug anhand der empfangenden TACAN-Impulsfrequenz erkennt.

14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem in bekanntem Abstand von jeder Bodenstation (15 - 18) angeordneten Prüftransponder (9), und

einer Auslöseeinrichtung, die den Prüftransponder in einen Sendemodus versetzt, wodurch eine Ankunftszeit-Prüfinformation verfügbar gemacht wird, um eine Korrektur von Fehlern in den an jeder Empfangsstation durchgeführten Ankunftszeitbestimmungen zu aktivieren.

15. System nach Anspruch 14, wobei die Auslöseeinrichtung so ausgelegt ist, daß sie den Prüftransponder bei einer geringeren Rate als derjenigen aktiviert, für die der Flugzeug- Transponder ausgelegt ist.

16. Verfahren zum Verfolgen eines Flugzeugs über ein Gebiet, wobei das Flugzeug mit einem Transponder (27) ausgerüstet ist, der so ausgelegt ist, daß er bei Abfrage durch einen Sender ein das Flugzeug kennzeichnendes Signal aussendet, wobei

in dem Gebiet in Abstand voneinander wenigstens drei Bodenstationen (15 - 18) angeordnet werden, deren jede mit einem Empfänger zum Empfangen von Signalen des Transponders ausgerüstet ist und die durch einen Nachrichtenkanal (30 - 31) miteinander verbunden sind,

der an Bord eines sich in dem Gebiet aufhaltenden Flugzeugs vorhandene Transponder (27) periodisch abfragt wird, so daß er das Erkennungssignal periodisch aussendet,

Ankunftszeitinformationen gewonnen werden, die die Ankunftszeiten der von dem Transponder ausgesendeten Signale an den Bodenstationen angeben, und

die Ankunftszeitinformationen über den Nachrichtenkanal zusammengestellt und die daraus Position des Flugzeugs berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugzeug-Transponder durch einen Transponder-Auslösesender (22) am Flugzeug abgefragt wird.