DE69422593T2

DE69422593T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE69422593T2
Application number: DE69422593T
Authority: DE
Inventors: Fred N.S. Goodrich; Carl E. Schwab
Original assignee: Cardion Newco Inc
Current assignee: Cardion Newco Inc
Priority date: 1993-11-16
Filing date: 1994-10-27
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2014-10-28
Also published as: EP0653643B1; DE69422593D1; EP0653643A2; CA2117989A1; US5424746A; EP0653643A3

Description

Technisches Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Methode und Verfahren zur Überwachung von Fahrzeugen, und insbesondere auf eine Methode und ein System zur Feststellung der Position eines Luftfahrzeugs und anderer Fahrzeuge innerhalb eines Testbereichs.

Hintergrund der Erfindung

Um Kampfpiloten effizient auszubilden, werden Trainingsflüge über einem Testbereich durchgeführt, welche simulierte Raketenabwehrsysteme mit einschließen. Diese Simulationen von Raketenabwehrsystemen beinhalten Radarbacken, welche das Feuerleitradar des Raketenabwehrsystems simulieren. Um die Leistung des Piloten im Laufe eines solchen Trainings beurteilen zu können, ist es erforderlich, die Position des Piloten genau zu überwachen, während er den Testbereich durchfliegt.
Das US-Patent Nr. 5,144,315 vom 1. September 1992, das dem EP-A-0385 600 entspricht und mit "Verfahren für die genaue Überwachung der Flugzeugposition bei Trainingsflügen" betitelt ist (das Patent 315), beschreibt ein System, in welchem ein konventioneller IFF-Bordtransponder an Bord eines Luftfahrzeugs als Quelle für Verfolgungsdaten verwendet wird. Sendungen des IFF-Bordtransponders werden in einem Verfahren zur Bestimmung der inversen Loran-Position eingesetzt, um Längen- und Breitengradkoordinaten für das Luftfahrzeug zu bestimmen. Beim Verfahren der inversen Loran-Position werden mehrere Bodenempfangsstationen um einen Testbereich herum aufgestellt. Ein diesen Testbereich durchfliegendes Luftfahrzeug umfaßt einen Füllimpulssender, der einen konventionellen IFF-Bordtransponder abfrägt. Als Antwort auf die Abfrage übermittelt der Transponder die Höhe und die Identität auf einer kontinuierlichen Basis an die Bodenempfangsstationen im Testbereich. Die Bodenempfangsstationen verfügen über genaue, untereinander synchronisierte Uhren, die eingesetzt werden, um die Ankunftszeit der vom IFF-Bordtransponder erhaltenen Übertragungen festzustellen.
In dem im Patent 315 beschriebenen Verfahren ist jede Bodenempfangsstation über eine Breitband- und Zweiwege-Datenverbindung mit einer Hauptbodenempfangsstation verbunden. Die Zweiwege-Datenverbindung versetzt die Hauptbodenempfangsstation in die Lage, sowohl die Uhren in den entfernten Bodenempfangsstationen zu eichen als auch Daten von den entfernten Bodenempfangsstationen zu empfangen, um die Ankunftszeit von Transponderübertragungen zu identifizieren, welche von den durch den Testbereich fliegenden Luftfahrzeugen ausgesendet wurden. Unter Verwendung wohlbekannter Loran-Techniken kalkuliert die Hauptbodenempfangsstation die X- Y-Koordinaten für das Luftfahrzeug und verwendet hierzu die Information zur Ankunftszeit, die sie von den entfernten Bodenempfangsstationen empfangen hat. Zusätzlich wird noch die von den IFF-Transpondern übermittelte Höheninformation verwendet, um die Flughöhe der Luftfahrzeuge zu überwachen.
Wie im Patent 315 gezeigt, benötigt ein Luftfahrzeug lediglich einen Füllimpulssender für das Abfragen eines IFF-Standardtransponders auf dem Luftfahrzeug. Zudem kann der Füllimpulssender so konfiguriert sein, daß er den IFF-Transponder auf einer asynchronen Basis abfrägt, um dadurch die Möglichkeiten von Kollisionen mit Übertragungen von anderen Flugzeugtranspondern in der allgemeinen Nachbarschaft zu verringern. Wie weiterhin im Patent 315 gezeigt, kann ein Beschleunigungsmessersignal, das die Flugzeugleistung (beispielsweise Änderungen im Flugweg) darstellt, verwendet werden, um die mittlere Abfragerate des Füllimpulssenders zu modifizieren. Der sich ergebende Wechsel in der durchschnittlichen Antwortrate des IFF- Transponders kann von den Bodenempfangsstationen und der Hauptbodenempfangsstation dazu verwendet werden, angesichts der Wechsel Bodenverfolgungsstationen oder Illuminatoren genau zu positionieren. Wie weiterhin ebenfalls im Patent 315 dargestellt, kann ein TACAN-Abfragesystem auf dem Luftfahrzeug mit dem IFF-Transponder verknüpft werden. Bei solchen Ausführungen wird die Übertragung eines TACAN-Impulses verwendet, um die Abfrage des IFF-Transponders im Flugzeug einzuleiten. In diesem Fall empfängt jede Bodenempfangsstation sowohl den TACAN-Impuls als auch das IFF- Transpondersignal mit den Höhendaten. Wird jedem Luftfahrzeug eine TACAN- Frequenz zugeordnet, dann können die Höhe und die TACAN-Frequenz korreliert werden, um die Identität eines Luftfahrzeugs zu bestimmen.
Das Patent 315 zeigt die Verwendung zweier Arten von Abfrageimpulsen, die einen festen zeitlichen Abstand untereinander aufweisen. Der IFF-Transponder sendet ein Signal, welches eine Identifikation als Antwort auf die erste Art von Abfrageimpuls liefert, und sendet ein Signal, welches als Antwort auf die zweite Art von Signal eine Höhe angibt. In Übereinstimmung mit den Standard-Antwortkodes von IFF-Transpondern sind jedoch nur 12 Bits für das Bereitstellen von Identifikationsinformation verfügbar. Bei bestimmten Anwendungen begrenzt die Verwendung von 12 Bits die Anzahl von Luftfahrzeugen, die identifiziert werden können.
Angesichts des vorstehend Erläuterten besteht im Fachbereich ein Bedarf an einer Methode und einem Gerät zur Überwachung der Position von Fahrzeugen, wie Luftfahrzeugen, über einen Testbereich mit einer größeren Identifikationskapazität als diejenige, welche die typischen Antwortkodes der IFF- Transponder bietet.

Zusammenfassung der Erfindung

Vorteilhafterweise stellen die Ausführungen der vorliegenden Erfindung Methoden und Gerät zur Überwachung der Position von Fahrzeugen, wie Luftfahrzeugen, über einen Testbereich dar, die eine größere Identifikationskapazität aufweisen als diejenige, welche die typischen Antwortkodes der IFF-Transponder bietet.
Insbesondere besteht eine Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Verfahren zur Bestimmung von Positionen von mit einem Transponder ausgerüsteten Fahrzeugen, welcher ein erstes Antwortsignal mit Daten zur Identifikation des Fahrzeugs als Antwort auf ein erstes Abfragesignal sendet, und welcher ein zweites Antwortsignal mit Daten zur Höhe des Fahrzeugs als Antwort auf ein zweites Abfragesignal sendet, wobei das System umfaßt: (a) einen auf dem Fahrzeug befindlichen Füllimpulssender zur Abfrage des Transponders mit dem ersten und dem zweiten Abfragesignal, die zeitlich durch ein vorbestimmtes Zeitintervall voneinander getrennt sind, wobei der Transponder als Antwort auf dieses erste und zweite Abfragesignal das erste und das zweite Antwortsignal sendet; (b) eine Anzahl räumlich voneinander getrennter Bodenempfangsstationen, wobei jede Mittel beinhaltet für: (i) den Empfang und das Dekodieren von Daten aus dem ersten und zweiten Antwortsignal, (ii) der Bestimmung einer Ankunftszeit für das erste und das zweite Antwortsignal und den vorbestimmten Zeitabstand, und (iii) die Bestimmung einer Identität des Fahrzeugs durch Kombinieren der Daten aus dem ersten Antwortsignal mit Informationen, die aus dem vorbestimmten Zeitabstand abgeleitet wurden; (c) eine Kommunikationsverbindung, welche die Bodenempfangsstationen mit einer der Bodenempfangsstationen verbindet; und (d) in dieser einen Bodenstation, Mittel zum Empfang von Informationen aus den anderen Bodenempfangsstationen über die Kommunikationsverbindung, wobei die Information die Identitäts- und die Ankunftszeitdaten enthält, die aus der Ankunftszeit des ersten und des zweiten Antwortsignals bestimmt wurden, und zum Kalkulieren der Fahrzeugposition aus den Ankunftszeitdaten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Abb. 1 zeigt ein über einen Testbereich verteiltes System, wobei dieses System die Position der Luftfahrzeuge über den Testbereich während des Trainings bestimmt;
Abb. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer an Bord befindlichen Flugzeugausrüstung, die einen IFF-Transponder in die Lage versetzt, gemäß der vorliegenden Erfindung als Funkbacke für die Verfolgung des Luftfahrzeugs zu dienen;
Abb. 3A zeigt die in der Standard-IFF-Transponderausrüstung verfügbaren Abfragemodi;
Abb. 3B zeigt die Transponder-Antwortkodes, die als Antwort auf die Abfrageimpulse generiert werden;
Abb. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer Bodenempfangsstation, die eingesetzt wird, um die Ankunftszeit- und Höheninformation vom Luftfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten;
Abb. 5 zeigt ein Blockdiagramm der Hauptbodenempfangsstation, die gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
Abb. 6 zeigt ein Blockdiagramm eines Nachrichtenassemblers in einer Bodenempfangsstation, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Abb. 7 zeigt ein Blockdiagramm einer an Bord befindlichen Flugzeugausrüstung, die einen mit TACAN und IFF verknüpften Transponder gemäß einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet; und
Abb. 8 zeigt ein Blockdiagramm einer Bodenempfangsstation zur Verwendung in der alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung

Im folgenden werden Verbesserungen für die im Patent 315 beschriebenen Methoden und Geräte dargestellt, wobei diese Verbesserungen die Fähigkeiten dieser Methoden und Geräte zur Identifikation von Fahrzeugen in Bereichen wie Testbereichen wesentlich erweitern.
Abb. 1 zeigt einen Flugzeugtestbereich, dessen Begrenzungen ein Viereck bilden; die Ecken des Vierecks werden jeweils von den Bodenempfangsstationen 15, 16, 17 und 18 gebildet. Die Bodenempfangsstation 15 ist eine Hauptbodenempfangsstation, welche die Daten der anderen Bodenempfangsstationen sammelt, beispielsweise über eine Zweiwege- Kommunikationsverbindung. Der Flugzeugtestbereich umfaßt außerdem mehrere Quellen für die Simulation von Bodenradar 8. Wie in Abb. 1 gezeigt, fliegen die Luftfahrzeuge 11 und 12 gegen die den Radar simulierenden Quellen, um Ausweichmanöver zu üben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden an Bord befindliche Transponderausrüstungen, wie beispielsweise konventionelle IFF-Transponder, durch einen ebenfalls auf den Luftfahrzeugen 11 und 12 befindlichen Füllimpulssender abgefragt. Als Antwort auf die Abfrage durch den Füllimpulssender an Bord des Luftfahrzeugs überträgt der abgefragte IFF- Transponder Signale mit Höhen- und Identifikationsinformation für das Luftfahrzeug.
Weiterhin gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet jede der Bodenempfangsstation 16-18 eine lokale Uhr, die mit einer Uhr in der Hauptbodenempfangsstation 15 synchronisiert ist. Die Uhren werden verwendet, um die Ankunftszeit der Transpondersignale in den Bodenempfangsstationen 15- 18 zu bestimmen. Die in den Bodenempfangsstationen 16-18 erhaltene Ankunftszeitinformation wird über die Zweiwege-Kommunikationsverbindung an die Hauptbodenempfangsstation 15 übermittelt. Wie von den konventionellen Loran-Prinzipien her bekannt ist, kann die Ankunftszeit eines Signals aus einem Luftfahrzeug in mindestens drei (3) Bodenempfangsstationen verwendet werden, um die Lage des Luftfahrzeugs in Längen- und Breitengraden zu bestimmen.
Weiterhin ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Hauptbodenempfangsstation 15 einen Computer, der für jede der Bodenempfangsstationen 15-18 eine Tafel mit Ankunftszeitmessungen erstellt, sobald ein Flugzeug den Flugzeugtestbereich durchfliegt. Die Hauptbodenempfangsstation 15 verwendet diese Information, um die Position des Luftfahrzeugs zu bestimmen, wenn es sich über dem Testbereich befindet. Da der an Bord befindliche IFF-Transponder eine Höhenmessung als Teil seiner Antwort auf den Abfrageimpuls aus dem Füllimpulssender ebenso übermittelt wie die Identität des Luftfahrzeugs, stehen Längengrad, Breitengrad und Höhe des Luftfahrzeugs zur Verwendung für die Beurteilung der Trainingsübungen zur Verfügung.
Wie im Patent 315 beschrieben kann der Füllimpulssender, der den IFF- Transponder auf dem Flugzeug abfrägt, den IFF-Transponder in periodischen Abständen abfragen und kann an einer Flugzeugstrebe oder einer Waffenhalterung durch allgemein bekannte Mittel befestigt werden.
Abb. 2 zeigt die in einem Flugzeug mitgeführte Ausrüstung für das Senden von Standard-IFF-Signalen gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Zufallsauslöser 21 erzeugt eine Ausgabe an den Füllimpulssender 22 auf Zufallsbasis. Als Antwort darauf erzeugt der Füllimpulssender 22 Standard-Abfrageimpulse, wie die in Abb. 3A gezeigten, auf Zufallsbasis, und diese Abfrageimpulse werden an den IFF- Transponder 27 als Eingabe weitergeleitet. Durch willkürliches Anordnen der Abfrage des IFF-Transponders 27 wird eine Kollision von Signalen, die durch den IFF-Transponder 27 ausgesandt werden, mit Signalen, die von einem anderen, in der Nähe des überwachten Luftfahrzeugs befindlichen Luftfahrzeug ausgesandt werden, vermieden. Wie weiterhin in Abb. 2 dargestellt, umfaßt der Füllimpulssender 22 eine Antenne 23 zum Aussenden an die Antenne 26 des IFF- Transponders 27. Der Füllimpulssender 22 und der Zufallsauslöser 21 sind an Bord des Luftfahrzeugs untergebracht, um eine verläßliche Abfrage des IFF- Transponders 27 sicherzustellen und vom Luftfahrzeug aus mit Energie versorgt zu werden, wie in Patent 315 beschrieben.
Abb. 3A zeigt die Standard-Abfrageimpulse eines IFF-Transponders, die allen mit dem Fachbereich durchschnittlich vertrauten Personen bestens bekannt sind, und Abb. 3B zeigt die Standard-Antwortcodes eines Transportders, die ebenfalls den mit dem Fachbereich vertrauten Personen gut bekannt sind.
Bekannterweise sendet ein IFF-Transponder 27 ein Antwortsignal, das die Identität eines Luftfahrzeugs anzeigt, sobald ein Füllimpulssender 22 die in Abb. 3A gezeigten Abfrageimpulse in Mode A sendet. Sobald der Füllimpulssender 22 die in Abb. 3A gezeigten Abfrageimpulse in Mode C sendet, wird der IFF- Transponder 27 ein Antwortsignal senden, das die Höhe des Luftfahrzeugs angibt. Wie im Patent 315 beschrieben, ist der Füllimpulssender 22 so konfiguriert, daß er die Mode C Abfrageimpulse 125 Mikrosekunden nach Sendung der Mode A Abfrageimpulse sendet. Dann sammeln und korrelieren laut den Ausführungen des Patents 315 die Bodenempfangsstationen 15-18 die ausgesandte Identitätsinformation aus der Mode A Abfrage sowie die Höheninformation aus der Mode C Abfrage; die Daten werden in einem konstanten Intervall von 125 Mikrosekunden empfangen und versetzen die Bodenempfangsstationen in die Lage, die Identität des Luftfahrzeugs mit dessen Höhe zu korrelieren.
Ich habe herausgefunden, daß die im Patent 315 beschriebenen Methoden und Geräte durch die folgenden Veränderungen noch verbessert werden können. Statt ein einheitliches Abstandsintervall von beispielsweise 125 Mikrosekunden zwischen der Erzeugung der Mode A und der Mode C Abfrageimpulse einzuhalten, wie das Patent 315 beschreibt, wird der Intervallabstand zwischen den Mode A und den Mode C Abfrageimpulsen unterschiedlichen Werten zugeordnet. Die Verbesserung, die sich aus der Zuordnung unterschiedlicher Werte für den Intervallabstand zwischen Mode A und Mode C Abfrageimpulsen ergibt, ist die Fähigkeit, den Intervallabstand zur Gewinnung zusätzlicher Identifikationskapazitäten für das Luftfahrzeug sowie für andere Fahrzeuge zu nutzen. Als Beispiel könnte den Bodenfahrzeugen ein Intervallabstand von 165 Mikrosekunden zugeordnet werden, und den Luftfahrzeugen könnte ein Intervallabstand von 175 Mikrosekunden zugeordnet werden. Zudem zeigen experimentelle Daten, die zur Prüfung dieses Prinzips verwendet wurden, daß so geringe Werte wie 1 Mikrosekunde verwendet werden können, um Identifikationsgruppen zu trennen und beispielsweise 11 Klassen zu bilden, indem Intervallabstände von 165, 166 .... 174 und 175 Mikrosekunden verwendet werden. Die Verwendung unterschiedlicher Intervallabstände, um die Identifikation zu verbessern, vergrößert in beträchtlichem Ausmaß die Anzahl der Fahrzeuge, die identifiziert werden können, da der in Abb. 3B gezeigte Standard-Antwortcode eines Transponders nur 12 Bits für die Identifikationsinformation zur Verfügung stellt. Weiterhin kann der Intervallabstand gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Klasse von Fahrzeugen, deren Höhe keine Bedeutung hat, auf einen einheitlichen Wert gesetzt werden und die paarweisen Übertragungen (Antworten auf Mode A und Mode C Abfrageimpulse) können verwendet werden, um 24 Bits an Identifikationsinformation anstatt der 12 Bits an Identifikationsinformation und 12 Bits an Höheninformation als Antwort auf die Mode A und Mode C Abfragen zu enthalten. Zudem kann weiterhin, in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung, die Durchschnittsrate der zufällig angeordneten Übertragungen so festgelegt werden, daß sie der durch den ganz bestimmten gewählten Intervallabstand identifizierten Gruppe von Fahrzeugen dient.
Wie weiterhin im Patent 315 beschrieben und in Abb. 2 dargestellt, kann der Füllimpulssender 22 einen Deaktivierungsschalter 24 enthalten, der an den Füllimpulssender 22 angeschlossen ist. Der Deaktivierungsschalter 24 wird betätigt, sobald das Luftfahrzeug wieder am Boden ist, um das Senden von Füllimpulsen durch den IFF-Transponders 27 zu unterbrechen, bis ein weiterer Flug unternommen wird. Der Schalter 24 kann an das Fahrwerk des Luftfahrzeugs angeschlossen und betätigt werden, sooft das Luftfahrzeug sich am Boden befindet. Zudem kann der Füllimpulssender 22 mit einer Rate getastet werden, die proportional zu einem Signal aus einem im Fahrzeug angebrachten oder als Gepäck mitgeführten Beschleunigungssensor 25 ist. Die mittlere Rate der Abfrageimpulse kann sich erhöhen, wenn das Luftfahrzeug Veränderungen in der Flugbahn aufweist. Die Bodenempfangsstationen können die Rate der erhaltenen Antworten dekodieren und ein Signal ableiten, das die Veränderungen in der Flugbahn des Luftfahrzeugs darstellt. Wie in Patent 315 dargelegt, liegt der Vorteil der Benutzung eines Sensors 25 in der Gewinnung nützlicher Positionsinformation, die eingesetzt werden kann, um Bodenradar- oder bodengestützte Verfolgungssysteme zu positionieren. Die Antwortimpulsrate kann linear bei Geschwindigkeitszunahme geändert werden - der Beschleunigungsmesser kann so ausgeführt sein, daß er jede der drei Richtungen von Bewegung wahrnimmt, seitwärtsbewegen, stampfen oder gieren (wobei die Wahrnehmung der seitlichen Bewegung bevorzugt wird). Liegt die Abfragerate bei einer nominalen periodischen Häufigkeit von 50,000 Mikrosekunden, dann kann das Signal des Beschleunigungsmessers diese Rate linear erhöhen. Die Bodenempfangsstationen können diese Veränderung in der nominalen periodischen Rate dekodieren und daraus Informationen hinsichtlich der Veränderungen in der Flugbahn des Luftfahrzeugs gewinnen. Zusätzlich kann die Veränderung der Abfragerate als Antwort auf Beschleunigung die Gesamtanzahl von Luftfahrzeugen erhöhen, die gleichzeitig verfolgt werden kann, weil ein Prozentsatz der Luftfahrzeuge sich in einem erhöhten Beschleunigungsmodus befinden, während die meisten Luftfahrzeuge sich in normalen G-Bedingungen befinden.
Ein Blockdiagramm der entfernten Bodenempfangsstationen 16-18 wird in Abb. 4 dargestellt. Wie in Abb. 4 gezeigt, beinhaltet eine Bodenempfangsstation eine Übertragungs-/Empfangsstation in Form einer Breitband-Datenverbindung 31, die an eine Mikrowellenantenne 30 angeschlossen ist; diese ist für die Kommunikation mit der Hauptbodenempfangsstation 15 ausgerichtet. Die Breitband-Datenverbindung ermöglicht die Synchronisierung der lokalen Uhren 36 in jeder der entfernten Bodenempfangsstationen 16-18 mit einer Hauptuhr in der Hauptbodenempfangsstation 15. Zusätzlich werden die wiedergewonnenen Antwortdaten vom IFF-Transponder und die Information zur Ankunftszeit zurück an die Hauptbodenempfangsstation 15 gesandt, und zwar über die Breitband- Datenverbindung.
Die Breitband-Datenverbindung ist als Breitband-Mikrowellenkanal dargestellt; dennoch können die mit dem Fachgebiet normal vertrauten Personen davon ausgehen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführung beschränkt ist und daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Breitband- Datenverbindung auch als FDDI, als Token-Ring Datenbus und so weiter ausgebildet sein kann.
Die vom IFF-Transponder 27 gesendeten Antwortsignale werden von der Antenne 33 in der konventionellen IFF-Antwortfrequenz von 1090 MHz empfangen. IFF-Empfänger und Dekoder 34 liefern drei verschiedene Datenmengen. Die konventionellen Identitäts- und Höhendaten, die als Teil der Mode-Abfrage des IFF-Transponders 27 übertragen werden, werden dekodiert und die Höhendaten werden an den Ausgabeausgang 40 geleitet. Die Ankunftszeit der Höhen- oder Identitätsinformation wird für jede Übertragung der Transponderantwort ermittelt, und die Ankunftszeitdaten erscheinen am Ausgabeausgang 38.
Die Ankunftszeitdaten bestehen aus der Zeit, die der IFF-Empfänger 34 festgestellt hat, wenn die Rahmenimpulse einer Antwort empfangen werden. Ein Zähler innerhalb des IFF-Empfängers 34, der von der Realzeituhr 36 gesteuert wird, stellt das Auftreten jedes empfangenen Impulsereignisses fest und wird zurückgestellt, sobald sowohl Identitäts- als auch Höheninformation erfolgreich dekodiert wurden. So kann eine Anfangszeit für die Impulsfolge anhand des laufenden Durchschnitts an ankommenden Rahmenimpulsfolgen verarbeitet werden oder anhand des Ankommens entweder der Identitäts- oder der Höheninformation, je nach Wahl des Systembauers. Zudem wird die Ankunftszeit zwischen den Antworten auf die Mode A und Mode C Abfragen bestimmt und in ein zusätzliches Teil der Identitätsinformation umgewandelt, beispielsweise durch das Vergleichen mit der in einer Tabelle gespeicherten Information. Dieser zusätzliche Teil an Identifikationsinformation wird mit der konventionellen, von der IFF-Transponderantwort gelieferten Identität kombiniert und diese kombinierte Identifikationsinformation wird an den Ausgabeausgang 39 geliefert. Wie weiter in Abb. 4 gezeigt liefert der Ausgabeausgang 41 ein Signal, welches die mittlere periodische Rate der Ankunftszeit der IFF-Antwort darstellt und dem Signal entspricht, das von einem Beschleunigungsmesser auf dem Luftfahrzeug erzeugt wird. Dieses Signal kann verwendet werden, um genaue Informationen zu Positionswechseln des Luftfahrzeugs zu erhalten.
Der Nachrichtenassembler 47 verbindet die Daten zur Ankunftszeit in Realzeit, Identität und Höhe sowie, wenn verfügbar, das dekodierte Signal des Beschleunigungsmessers, zu einer Nachricht zur Modulation auf dem Trägersignal der Breitband-Datenverbindung. Die Breitband-Kommunikationsverbindungsstation 31 empfängt diesen Modulationsstrom und übermittelt ihn an die Hauptbodenempfangsstation 15.
Damit die Hauptbodenempfangsstation 15 die korrelierten Ankunftsdaten für jede der Empfangsstationen 16-18 empfängt, ist es erforderlich, daß die Realzeituhren 36 in allen Bodenempfangsstationen synchron laufen. So wird während einer Eichsequenz die Breitband-Kommunikationsverbindung Eichdaten von der Hauptbodenempfangsstation 15 liefern, die verwendet werden, um die Uhr 36 in jeder Bodenempfangsstation zu synchronisieren, so daß die Ankunftszeitdaten aus jedem Empfänger mit denen der anderen Empfänger synchronisiert ist. Ein für diese Zwecke geeignetes Netzwerk zur Eichung und Steuerung der Realzeituhren 49 wird im Patent 315 beschrieben, und diese Beschreibung wird durch Referenz in diese Unterlagen mit aufgenommen. Das Netzwerk zur Eichung und Steuerung der Realzeituhren 49 wird für die Dauer eines Eichintervalls eingesetzt und empfängt Uhrdaten aus der Breitband- Kommunikationsverbindung, dekodiert diese und stellt ein Frequenz/Phasensteuersignal 43 für die Realzeituhr 36 zur Verfügung; dieses Frequenz/Phasensteuersignal ist das Ergebnis des Vergleichs zwischen der aktuellen Zeit der Realuhr 36 über den Ausgabeausgang 42 mit einer empfangenen Realzeit von der Hauptbodenempfangsstation 15. Weiterhin können Ausführungen der vorliegenden Erfindung andere Methoden zur Eichung der Uhren einsetzen, wie die Verwendung eines Eichtransponders, der im Patent 315 beschrieben wird und dessen Beschreibung ebenfalls durch Referenz in diese Unterlagen mit aufgenommen wird.
Abb. 5 zeigt die Hauptbodenempfangsstation 15. Wie in Abb. 5 gezeigt, empfängt der IFF-Empfänger 68, der an die IFF-Antenne 71 angeschlossen ist, die Ankunftszeitdaten und die Informationen zu Identität und Höhe aus den Transponderantworten. IFF-Empfänger und Dekoder 68 und der Nachrichtenassembler 69 arbeiten auf die gleiche Weise wie oben für den IFF- Empfänger und Dekoder 34 und den Nachrichtenassembler 47 aus Abb. 4 beschrieben wurde. Der Nachrichtenassembler 69 bringt die Nachricht in ein Format, das an den Zentralprozessor 66 geliefert werden kann. Vergleichbare Nachrichten werden von den entfernten Bodenempfangsstationen 16-18 über individuelle Datenverbindungen empfangen. Eine Breitband-Datenverbindung mit einer Übertragungs/Empfangsstation 61 wird eingesetzt, um mit der ersten entfernten Bodenempfangsstation zu kommunizieren, und zusätzliche Datenverbindungsstationen 63 kommunizieren mit den restlichen entfernten Bodenempfangsstationen.
Der Zentralprozessor 66 sammelt ein zusammengestelltes Datenpaket für jede der entfernten Bodenempfangsstationen. Wird die Abfragerate des Füllimpulssenders gemäß einem Sensorsignal variiert, so wird auch diese Information zur Verfügung gestellt. Der Zentralprozessor 66 ist ein Digitalcomputer allgemeiner Bauart, der eine Tabelle für jede Bodenempfangsstation umfaßt und das neueste Paket empfangener Position- und Identitätsdaten speichert, das von jeder Bodenempfangsstation empfangen wurde. So werden vier Tabellen innerhalb des Zentralprozessors 66 erstellt, welche die Identitätsdaten mit den entsprechenden Daten zu Höhe und Ankunftszeit für jedes Luftfahrzeug im Testbereich enthalten. Diese Tabellen halten Ankunftszeitdaten für mehr als ein Luftfahrzeug, da jede Ankunftszeit mit jeder Luftfahrzeugidentität korreliert ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie zuvor beschrieben, die Identität eines Luftfahrzeug bestimmt aus einer Kombination von IFF-Transponderidentifikation, die als Antwort auf die Abfrageimpulse aus den an Bord befindlichen Füllimpulssendern gesendet wurden, und den Abständen zwischen den Ankunftszeiten der IFF-Transponderantworten auf die Mode A und Mode C Abfrageimpulse aus dem an Bord befindlichen Füllimpulssender.
Es ist auch möglich, ein Computerprogramm mit einzuschließen, das Steuerkurs und Geschwindigkeit über Grund des Luftfahrzeugs aus den Positionskoordinaten errechnet, die ständig aus der Ankunftszeitinformation kalkuliert werden. So kann unter Verwendung der Veränderung bei den Positionsdaten sowohl die dazugehörige Luftgeschwindigkeit als auch das Verhalten berechnet werden.
Wie alle mit der Loran-Technologie vertrauten Personen verstehen werden, können Längen- und Breitengrade aus den Daten zur Ankunftszeit errechnet werden, die bei drei Bodenempfangsstationen empfangen wurden. Die vierten Daten zur Ankunftszeit können verwendet werden, um eine Reihe von Berechnungen zu ermöglichen, die zwischen Kombinationen von drei Bodenempfangsstationen durchgeführt werden. Mögliche Fehler in den Daten können zugunsten der drei am besten korrelierten Berechnungen für die Positionsbestimmung mit Längs- und Breitengrad eliminiert werden. Ein Bericht über die Positionskoordinaten für Luftfahrzeuge innerhalb des Testbereichs kann über eine Telephonverbindung weitergegeben oder lokal in einer angemessenen Form angezeigt werden.
Abb. 6 zeigt ein Blockdiagramm weiterer Einzelheiten einer Bodenempfangsstation. Jede der Bodenempfangsstationen verfügt über lokale Uhren 36, die so eingestellt sind, daß die Ankunftszeit der Transponderantworten in ein entsprechendes Register 47c in jeder Station eingespeist wird. Diese Ankunftszeitdaten können typischerweise eine Größe von 20 Bits umfassen und beinhalten das ganze Antwortpaar, Höhe und Identität. Die Ankunftszeit kann gegen jede der Antwortbits gemessen werden, die sich in dem Register 47c befinden. Die Identität im Register 47b umfaßt die 12 Bits aus der IFF- Transponderantwort ebenso wie beispielsweise 4 Bits, welche durch den Intervallabstand zwischen der Mode A und der Mode C Abfrage festgelegt werden.
Die Eichung jeder der Bodenempfangsstationen erfordert lediglich die Synchronisierung der Uhren in allen Empfangsstationen. Die RTR Hauptuhr 67 in der Hauptbodenempfangsstation 15, dargestellt in Abb. 5, kann an jede der entfernten Bodenempfangsstationen 16-18 über die Datenverbindungen übermittelt werden, die durch die Übertragungs/Empfangsstationen 61 bis 63 dargestellt werden. Bei den mit dem Fachbereich durchschnittlich vertrauten Personen ist bestens bekannt, daß für eine genaue Synchronisierung zwischen entfernt liegenden Uhren und einer Hauptuhr 67 eine Eichung in jeder Bodenempfangsstation erforderlich ist, um die Verzögerung, welche die Übertragung der Uhreninformation von der Hauptstation an jede der Bodenempfangsstationen erfährt, auszugleichen. Wie zuvor schon gesagt, werden solche Methoden und Geräte zum Eichen im Patent 315 beschrieben. Wie weiterhin im Patent 315 beschrieben, verwendet eine alternative Methode zum Eichen der Uhren in den entfernten Bodenempfangsstationen einen Eichtransponder. Der Eichtransponder 9 wird in Abb. 1 dargestellt und befindet sich innerhalb des Testbereichs. Er wird in einem Füllimpuls-Sendemodus betrieben, vorzugsweise bei einer niedrigen Rate der Füllimpulssendungen wie 1 Übertragung pro Sekunde, wobei sowohl eine Identitäts- als auch eine Höhenübertragung gesendet wird; beide Übertragungen werden von jeder der Bodenempfangsstationen 15-18 empfangen. Der Abstand zwischen den einzelnen Bodenempfangsstationen und dem Transponder 9 ist genau bekannt. Jede Bodenempfangsstation zeichnet die Ankunftszeit unter Verwendung seiner internen Empfangsuhr auf, genau so wie bei der Verfolgung der Luftfahrzeuge durch den Testbereich. Die Ankunftszeit für diese Übertragungen wird an die Hauptbodenempfangsstation weitergegeben, und da die Abstände zwischen dem Transponder und jeder Bodenempfangsstation bekannt sind, stehen auch erwartete Ankunftszeiten für jeden dieser Abstände zur Verfügung. Der Computer der Hauptbodenempfangsstation vergleicht die erwarteten Ankunftszeitdaten mit den tatsächlichen Ankunftszeitdaten. Dann kann der Computer der Hauptbodenempfangsstation die Ausgleichskorrekturen für Realzeituhren in jeder Bodenempfangsstation kalkulieren, und die anschließende Ankunftszeitinformation, die von einem angepeilten Luftfahrzeug gesendet wurde, modifizieren. Diese Technik zum Eichen der Empfängeruhren ist aus mehreren Gründen von Vorteil: erstens erfordert diese Eichtechnik keine ausgehende Datenverbindung von der Hauptbodenempfangsstation zu jeder der weiteren Bodenempfangsstation. Zweitens ermöglicht diese Eichtechnik die Überprüfung des Vorgangs des Verfolgungssystems vor dem Beginn der flugtechnischen Messungen. Drittens ist keine Breitband-Datenverbindung erforderlich, um die Daten von den entfernten Bodenempfangsstationen zur Hauptstation zu senden. Statt dessen kann man eine Datenverbindung mit niederer Geschwindigkeit verwenden, wie beispielsweise eine Telefonleitung.
Eine alternative Ausführung der vorliegenden Erfindung ist nützlich für Luftfahrzeuge, die, wie viele Militärflugzeuge, sowohl über eine IFF- Transponderausrüstung als auch über eine TACAN-Navigationsausrüstung verfügen. Bei der alternativen Ausführung kann, wie in Abb. 7 gezeigt, ein Verknüpfungskreis eingesetzt werden, so daß die vom Flugzeug gesendeten TACAN-Abfragen für das Abfragen des IFF-Transponders auf dem Luftfahrzeug verwendet werden. Wie weiterhin in Abb. 7 gezeigt, wird ein Kristalldetektor 71 an eine kleine Empfangsantenne 70 angeschlossen. Die TACAN-Abfrageimpulse, das sind mehrere hundert Watt starke RF Impulse, werden vom Detektor 71 empfangen. Der sich ergebende Impuls aus dem Dekoder 71 wird im Dekoder 72 entschlüsselt. Ein verzögerter Impuls aus einem Verzögerungskreis 73 wird für die Einleitung der Mode C Abfrage von einem Sender 75 aus verwendet. Die Mode C Abfrage kann als Antwort auf einen TACAN-Impuls vervollständigt werden und wird über die Antenne 77 weitergegeben, wie in der vorausgehenden Ausführung dargestellt, zur Abfrage des IFF-Transponders. Bei Verwendung der TACAN- Abfrageimpulse, um eine Mode C Abfrage auszulösen, ergibt sich auch die Möglichkeit, die Transponderantworten auf die Mode C Abfrage zu identifizieren, ohne eine Mode 1, 2 oder 3 Abfrage des IFF-Transponders zu benötigen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird noch weitere Identifikationsinformation bereitgestellt, und zwar durch die Änderungen des Intervallabstandes zwischen dem TACAN-Signal und der Mode C Abfrage, durch die Änderung der Verzögerung an der Verzögerung 73.
Wie in Abb. 8 dargestellt, können die entfernten Bodenempfangsstationen auch einen TACAN-Empfänger 79 umfassen, ebenso wie einen IFF-Empfänger 82.
Der gesonderte Kanal des TACAN-Empfängers, der eine TACAN-Abfrage empfängt, die mit einer in der Bodenempfangsstation empfangenen IFF-Antwort korreliert ist, kann zur Identifizierung des Luftfahrzeugs verwendet werden. Da die TACAN-Abfrage die IFF-Antwort auslöst, sind beide zeitlich verbunden und ermöglichen der entfernten Empfangsstation, die Höhe mit der Identität zu korrelieren.
An einer entfernten Bodenempfangsstation liefert die TACAN-Antenne 78 jeden empfangenen TACAN-Impuls an den TACAN-Empfänger 79. Je nach Frequenz des TACAN-Impulses wird das Luftfahrzeug auf einer ersten Ebene anhand der zugewiesenen TACAN-Frequenz identifiziert. Weiterhin werden die Ankunftszeit des TACAN-Impulses sowie der IFF-Transponderantwort verwendet, um der Identifikation noch Information aus der TACAN-Frequenz in oben beschriebener Weise hinzuzufügen.
Die IFF-Antenne 81 der Bodenempfangsstation ist an IFF-Empfänger und Dekoder angeschlossen: Höhen- und Ankunftszeitinformation wird erneut durch den Nachrichtenassembler 87 zusammengestellt. Die Realzeituhr 84 wird mit Hilfe des Eich- und Steuerkreises 88 wie zuvor beschrieben geeicht. Eine Breitband- Datenverbindung wird von der Datenstation 85 zur Verfügung gestellt, und die Eich- und Positionsmodulationsdaten werden über die Breitband- Datenverbindungsstation 85 an die Hauptbodenempfangsstation zurückübermittelt.
Die mit dem Fachbereich durchschnittlich vertrauten Personen können erkennen, daß die Positionierung einer der Bodenempfangsstationen an einer erhöhten Stelle über den anderen eine Lokalisierung der Höhe der Luftfahrzeuge über die Verwendung der Ankunftszeit ermöglicht. So können, als Kontrollprüfung zu den Höhenmessungen aus einem IFF-Transponder oder als unabhängige Höhenkalkulation, aus der Höhendifferenz zwischen den Bodenempfangsstationen nicht nur die Positionsdaten in Längen- und Breitengraden, sondern auch die Höhenkoordinaten abgeleitet werden.
Die Ausführungen der vorliegenden Erfindung können bei anderen Systemen sowohl militärischer als auch nichtmilitärischer Art Anwendung finden. Ein Beispiel für eine solche weitere Anwendung beinhaltet die Überwachung geographischer Flughafengrenzen hinsichtlich der Anwesenheit nicht autorisierter Luftfahrzeuge sowie deren Längen- und Breitengradkoordinaten.

Claims

1. System zur Positionsbestimmung eines Fahrzeugs, das mit einem Transponder ausgerüstet ist, welcher ein erstes Antwortsignal mit Daten zur Identifikation des Fahrzeugs als Antwort auf ein erstes Abfragesignal sendet, und ein zweites Antwortsignal mit Daten zur Höhe des Fahrzeugs als Antwort auf ein zweites Abfragesignal sendet, wobei das System umfaßt:

einen auf dem Fahrzeug befindlichen Füllimpulssender zur Abfrage des Transponders mit dem ersten und dem zweiten Abfragesignal, die zeitlich durch einen vorbestimmten Zeitabstand voneinander getrennt sind, wobei der Transponder als Antwort auf dieses erste und dieses zweite Abfragesignal das erste und das zweite Antwortsignal sendet;

eine Anzahl voneinander entfernter Bodenempfangsstationen, wobei jede der Bodenempfangsstationen Mittel enthält für:

(a) den Empfang und die Dekodierung von Daten aus dem ersten und dem zweiten Antwortsignal,

(b) die Bestimmung einer Ankunftszeit für das erste und das zweite Antwortsignal und den vorbestimmten Zeitabstand, und

(c) die Bestimmung einer Identität des Fahrzeugs durch die Kombination von Daten aus dem ersten Antwortsignal mit Informationen, die aus dem vorbestimmten Zeitabstand abgeleitet sind;

eine Kommunikationsverbindung, welche die Bodenempfangsstationen mit einer der Bodenempfangsstationen verbindet; und

Mittel in dieser einen Bodenempfangsstation zum Empfang von Informationen aus den anderen Bodenempfangsstationen über die Kommunikationsverbindung, wobei die Information die Identitäts- und Ankunftszeitdaten enthält, die aus der Ankunftszeit des ersten und des zweiten Antwortsignals gewonnen wurden, und Mittel zur Berechnung der Fahrzeugposition aus den Ankunftszeitdaten.

2. System aus Anspruch 1, in welchem die Mittel zur Berechnung in einer der Bodenempfangsstationen Mittel zur Berechnung der Geschwindigkeit und des Steuerkurses des Fahrzeugs enthalten.

3. System aus Anspruch 1, das weiterhin mehrere, voneinander räumlich getrennte simulierte Bodenradarsignale beinhaltet, gegen die das Fahrzeug Ausweichmanöver ausführen kann.

4. System aus Anspruch 1, in welchem die Mittel zur Berechnung in der einen Bodenempfangsstation einen Digitalcomputer umfassen.

5. System aus Anspruch 1, in welchem die Kommunikationsverbindung eine Zweiwege-Kommunikationsverbindung zwischen der einen Bodenempfangsstation und den anderen Bodenempfangsstationen enthält.

6. System aus Anspruch 5, in welchem die eine Bodenempfangsstation Daten zur Synchronisierung der Realzeituhren über die Kommunikationsverbindung an die anderen Bodenempfangsstationen übermittelt.

7. System aus Anspruch 1, in welchem das Fahrzeug ein Luftfahrzeug ist und in welchem das System weiterhin einen Deaktivierungsschalter enthält, der an das Fahrwerk des Luftfahrzeugs gekoppelt ist und die Übermittlungen des Füllimpulssenders unterbricht, wenn das Luftfahrzeug sich am Boden befindet.

8. System aus Anspruch 1, in welchem der Füllimpulssender als Antwort auf einen TACAN-Abfragegenerator auf dem Fahrzeug aktiviert wird.

9. System aus Anspruch 1, das weiterhin umfaßt: einen Testtransponder, der sich in einer bekannten Entfernung von jeder Bodenempfangsstation befindet Mittel zum Auslösen des Testtransponders, so daß Transpondersignale übertragen werden;

wobei als Antwort auf diese Transpondersignale die Mittel zum Empfangen der Transpondersignale in den Bodenempfangsstationen die Ankunftszeit der Transpondersignale bestimmen und die Ankunftszeitinformation an die eine Bodenempfangsstation übermitteln; und

wobei die eine Bodenempfangsstation Mittel zur Bestimmung von Eichinformation enthält, um die anschließende Ankunftszeitinformation aus den Bodenempfangsstationen zu modifizieren.

10. System aus Anspruch 9, in welchem die Mittel zum Auslösen den Testtransponder mit einer Häufigkeit von einer Übertragung pro Sekunde aktivieren.

11. System zum Bestimmen von Positionen eines mit einem IFF-Transponder und einer TACAN-Abfrageausrüstung ausgestatteten Fahrzeugs; dazu gehören:

ein auf dem Fahrzeug befindlicher Füllimpulssender;

Mittel, die auf einen TACAN-Abfrageimpuls reagieren, der von der TACAN- Abfrageausrüstung gesendet wurde, um den Füllimpulssender nach einem vorbestimmten Zeitintervall zu aktivieren, nachdem der Kreislauf den TACAN- Abfrageimpuls beantwortet hat;

der Füllimpulssender zur Bereitstellung eines Abfragesignals, wobei der IFF- Transponder als Antwort auf dieses Abfragesignal ein Antwortsignal sendet, das Daten zur Höhe des Fahrzeugs enthält;

mehrere räumlich voneinander entfernte Bodenempfangsstationen, wobei jede dieser Bodenempfangsstationen Mittel umfaßt zum:

(a) Empfangen des TACAN-Abfrageimpulses und des IFF- Transponderantwortsignals und zum Dekodieren der ersten Identifikationsinformation aus dem TACAN-Abfrageimpuls;

(b) Bestimmen einer Ankunftszeit des TACAN-Abfrageimpulses und des IFF-Transponderantwortsignals und des vorbestimmten Zeitabstandes; und

(c) Bestimmen einer Identität des Fahrzeugs durch das Kombinieren der ersten Identifikationsinformation mit aus dem vorbestimmten Zeitabstand abgeleiteter Information;

Mittel in der einen Bodenempfangsstation zum Empfangen von Information aus den anderen Bodenempfangsstationen über die Kommunikationsverbindung, wobei die Information die Identitäts- und Ankunftszeitdaten enthält, die aus der Ankunftszeit des TACAN-Abfrageimpulses und des IFF-Transponderantwortsignals bestimmt wurden, und zum Berechnen der Position des Fahrzeugs aus den Ankunftszeitdaten.

12. System aus Anspruch 11, einschließlich eines Nachrichtenassemblers in den anderen Bodenempfangsstationen zur Zusammenstellung einer Nachricht, welche eine gemessene Ankunftszeit und ein dekodiertes Höhensignal enthält, und wobei der Nachrichtenassembler angeschlossen ist, um die Nachricht über die Kommunikationsverbindung an die eine Bodenempfangsstation zu übermitteln.

13. System aus Anspruch 12, in welchem das Mittel zum Aktivieren auf eine einzelne, dem Fahrzeug zugewiesene TACAN-Impulsfrequenz anspricht.

14. System aus Anspruch 13, in welchem das Empfangsmittel jeder der Bodenempfangsstationen in der Lage ist, eine Mehrzahl von TACAN- Impulsfrequenzen zu empfangen und Fahrzeuge mittels der empfangenen TACAN-Impulsfrequenz zu identifizieren.

15. System aus Anspruch 11, in welchem das Fahrzeug ein Luftfahrzeug ist und in welchem das System weiterhin einen an das Fahrwerk des Luftfahrzeugs gekoppelten Deaktivierungsschalter enthält, um die Übertragungen aus dem Füllimpulssender zu deaktivieren, wenn das Flugzeug sich am Boden befindet.

16. System aus Anspruch 1, das weiterhin einen an den Füllimpulssender angeschlossenen Beschleunigungsmesser enthält, um die Abtragerate zu variieren.

17. System aus Anspruch 1, in welchem weiterhin Mittel zur Erzeugung eines Signals enthält, welches die Abfragerate des Füllimpulssenders variiert.

18. System aus Anspruch 17, in welchem die Mittel zur Erzeugung eines Signals ein Signal erzeugen, das mit der Fahrzeugleistung zusammenhängt.