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Funksystem zur Navigation von Fahrzeugen
Gegenstand der Erfindung ist
ein Funksystem zur Navigation von Fahrzeugen, bei welchem die Lage bestimmter, durch
mit gleicher Sendefrequenz arbeitende Kennungssender markierter Geländestellen mit
Hilfe eines auf dem Fahrzeug angebrachten rotierenden Richtempfängers auf einem
Anzeigegerät sichtbar gemacht wird und das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet
ist, daß alle Kennungssender sowie ein mit einer anderen Sendefrequenz arbeitender
ortsfester Muttersender ständig durch kurze Impulse getastet werden, die alle Sender
jeweils zum gleichen Zeitpunkt verlassen, daß das Anzeigegerät aus einer Kathodenstrahlröhre
besteht, deren Strahl in synchron mit der Empfangsrichtung des umlaufenden Richtempfängers
umlaufender Richtung radial von der Mitte zur Peripherie des Leuchtschirmes abgelenkt
und bei Aufnahme eines Impulses durch den Empfänger beeinflußt wird, und daß durch
den Muttersender gesteuerte Mittel vorgesehen sind, welche sicherstellen, daß die
Ablenkung des Strahls jeweils zugleich mit der Aussendung der Sendeimpulse beginnt.
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Die bekannten Navigationsverfahren zur bildlichen Darstellung von
Lage und Entfernung vorgegebener Geländestellen auf einem ortenden Fahrzeug haben
den Nachteil, daß durchwegs hin- und zurücklaufende Impulse verwendet werden, die
einen starken Sender mit all seinen Nachteilen, z. B. Stromversorgung, Störung des
Nahauflösungsvermögens, Peilbarkeit durch Dritte usw., bei der ortenden Stelle voraussetzen.
In der deutschen
Patentschrift 708 350 ist ferner ein Verfahren
zur Bestimmung der relativen Lage der Grenzen eines Hafens oder Flughafens von einem
Fahrzeug aus beschrieben worden, bei dem an den Aafengrenzen mehrere gleichzeitig
und auf unmittelbar benachbarten Wellen drahtlose Signale ausstrahlende Sender aufgestellt
sind und sich auf dem Fahrzeug ein einziger Empfänger befindet, der die Signale
in Verbindung mit einer rotierenden Richtantenne richtungsselektiv nacheinander
in periodischer Reihenfolge aufnimmt und mit Hilfe eines einzigen optischen Indikators
als sichtbare Signale in der empfangenen Reihenfolge und Richtung zur Anzeige bringt.
Dieses Verfahren zeigt dem Navigator zwar die relativen Grenzen vorgegebener Flächengebiete,
gibt jedoch keinerlei Aufschluß über die absolute Lagebegrenzung und die Entfernung
des ortenden Fahrzeugs zu den jeweilig gekennzeichneten Grenzen.
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Das erfindungsgemäße Navigationsverfahren zeigt jedoch die Mittel
auf, mit denen ohne Verwendung des Rückstrahlprinzips, d. h. ohne daß an der ortenden
Stelle ein Sender vorhanden sein muß, eine bildliche Darstellung der Lage der Kennungssender
auf dem Fahrzeug erzielt werden kann, aus welcher nicht nur die Richtung, sondern
auch die Entfernung zwischen der orten den Stelle und den Kennungssendern entnommen
werden kann. Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, den durch die
Kennungssender umrissenen Raum, dem optischen Eindruck entsprechend, perspektivisch
darzustellen.
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Am Beispiel einer erfindungsgemäßen Flugplatzbefeuerung soll die
Wirkungsweise des Verfahrens erklärt werden. Dazu ist in Abb. I eine sinnbildliche
Darstellung einer Flugplatzbefeuerung in beispielsweiser, stark vereinfachter Form
gegeben.
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Auf den Begrenzungslinien des Flugplatzes F sind in Abständen von
beispielsweise 200 m die Kelmungsslender oder Kennungsfeuer K1 bis K«; mit geringer
Leistung (in einer Größenordnung von wenigen Watt) aufgestellt, die von der Zentralstelle
Z genau synchron getastet werden. Die Sender strahlen alle auf der gleichen Wellenlänge.
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Gleichzeitig mit der Tastung wird zweckniäBig am Standort der ZentraleZ
auf einer anderen Welle - vorzugsweise einer längeren - ein Muttersender SM getastet.
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In dem navigierenden Flugzeug befindet sich eine Anlage, wie sie
als Blockschema in stark vereinfachter Ausführung in Abb. 2 wiedergegeben ist.
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Diese Anlage enthält einen Empfänger Ek, der auf die Frequenz der
Kennungssender abgestimmt, mit einer umlaufenden Richtempfangsantenne R, einen Empfänger
EM, der auf die Frequenz des Muttersenders abgestimmt ist, mit einer Rundempfangsantennen,
ein Synchronisationsgerät S und ein Anzeigegerät mit Bildschirm B zur Wiedergabe
der mit der Richtempfangsantenne R angepeilten Kennungsfeuer.
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Als Bildschirm findet ein Schirm einer Kathodenstrahlröhre mit Polarkoordinatenablenkung
Verwendung, und zwar wird vom Mittelpunkt des Bildschirms der Leuchtfleck radial
linear ausgelenkt, wie es aus Abb. 3 ersichtlich ist. Es entspricht hierbei die
Richtung der radialen Auslenkung der jeweiligen Empfangsrichtung bei Beginn der
Auslenkung. Der Zeitpunkt des Beginns der Auslenkung vom Mittelpunkt entspricht
genau dem Zeitpunkt der Tastung der Kemlungsfeuer. Die Gleichzeitigkeit von Auslösung
und Tastung wird durch variable Laufzeitglieder im Synchronisationsgerät S bewirkt,
die die Auslösung der radialen Auslenkung im Bereich einer Impulsperiode verschieben
können.
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Die Helligkeit des Bildpunktes (Elektronenstrahls) wird mit bekannten
Maßnahmen unterdrückt und durch empfangene Kennungsfeuerimpulse aufgehellt. Auf
diese Weise entsteht entsprechend dem Empfangswinkel der Richtempfangsantenne und
der Laufzeit des empfangenen Impulses ein Lichtpunkt auf dem Bildschirm für jedes
angepeilte Kennungsfeuer, so daß bei entsprechender Nachleuchtdauer des Schirmes
ein winkel- und entfernungstreues Bild des gekennzeichneten Platzes auf dem Bildschirm
erscheint (Abb. 4). Die Größe des Bildes läßt sich durch Variation der radialen
Ablenkgeschwindigkeit verändern.
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Solange die radiale Auslenkung und die Sender tastung nicht synchron
und ohne Phasenverschiebung arheiten, erscheint das Bild des Platzes verzerrt auf
dem Schirm. Um dem Piloten oder Navigator anzuzeigen, wann die Verzerrung beseitigt
ist, wird zweckmäßigerweise dem Flugplatz eine Bezugsfeuerlinie oder Bezugsfeuerfigur
aus mehreren Kennungssendern (eventuell mit einer besonderen Kennzeichnung) zugeordnet,
deren geographische Anordnung dem Piloten oder Navigator bekannt sein muß (beispielsweise
durch Eintragung in die Platzkarte).
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Die Abbildung dieser Bezugsfeuerlinie oder -figur auf dem (nicht
perspektivisch verzerrten) Bildschirm ist ein absolutes Kriterium für die richtige
Phasenlage der Radialauslenkung (Gleichzeitigkeit der Auslösung der radialen Auslenkung
des Elektronenstrahls und der Kennungssendertastung), denn (falls die Bezugsfeuerlinie
eine Gerade ist) die Lage einer Geraden im Koordinatensystem ist eindeutig bestimmt
durch die Schnittpunkte (mindestens drei) dieser Geraden K1, K2 und Kn mit drei
Strahlen, die vom Nullpunkt X des Systems ausgehen und die mit der Ordinate die
Winkel at, a2 und a3 bilden.
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Folgende und damit alle Voraussetzungen zur Sicherstellung einer
mathematisch exakten Navigation sind erfüllt: I. Es ist bekannt, daß die drei Punkte
K1, K2 und K3 als besonders gekennzeichnete Markierungspunkte der Bezugsfeuerlinie
(im angenommenen Falle) oder Bezugsfeuerfigur auf einer Geraden liegen.
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2. Der Abstand der drei Punkte untereinander ist bekannt, z. B. durch
Eintragung in die Platzkarte.
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3. Die Richtung der Strahlen, die vom Nullpunkt4 (Standort des Fahrzeugs)
des Koordi-
natensystems aus durch die drei Punkte X K2 und K3 gehen.
sind gegeben (Peilung der Umlaufantenne).
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Eine Verlängerung oder Verkiirzung der Teilstrecken JK1, AK2 und
AK3 um die Laufwegdifferenz im Falle der Phasenungleichheit von Kennungssendertastung
und Radialauslösung führt zu einer auch für den Nichtfachmann erkennbaren und verständlichen
Verzerrung der Bezugsfeuerlinie (oder -figur).
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Die manuelle Einstellung der Phasenschieber (der Laufzeitglieder
im Synchronisationsgerät) erfolgt beispielsweise auf Grund der visuellen Beobachtung
der Bezugsfeuerlinie (oder Bezugsfeuerfigur) auf einem nicht perspektivisch verzerrten
Bildschirm, der z. B. in der Kabine des Navigators angeordnet ist, um den Piloten
nicht durch zusätzlichte Einstellarbeiten abzulenken.
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Da ferner beispielsweise die Bezugsfeuerlinien derart aufgebaut werden
können, daß die Abstände der Kennungsfeuer untereinander gleich sind und bei unverzerrter
Darstellung auf dem Bildschirm bzw. einem Impulsfolgemeßgerät gleichmäßige Folge
und Al>stände bzw. bei einem Bezugsfeuerkreis einen bestimmten gleichmäßigen
Durchmesser des Kreises bei vorgegebenem Darstellungsmaßstab ergeben müssen, sind
auch die zu einer automatischen Regelung erforderlichen Hilfsmittel nicht besonders
aufwendig.
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Bei entsprechender Aufstellung des Muttersenders, z. B. in einer
Entfernung von etwa 30 km querab der Landebahn, dürfte man selbst bei Landungen
von schnellen Flugzeugen mit manueller Regelung auskommen, da die im Anflug auf
den Aufsetzpunkt eingestellten Werte sich dann kaum verändern.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schiffsnavigation
und Großraumnavigation spielt die zur Einstellung der Phasengleichheit benötigte
Zeit (Bruchteile von Sekunden) keine Rolle.
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Eine zusätzliche Kennzeichnung der Bezugsfeuerlinien oder -figuren
kann beispielsweise durch Frequenzwobbeln erzeugt werden.
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An der Verzerrung der Bezugsfeuerlinien bzw.
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Bezugsfeuerfiguren kann, wie schon oben gesagt, jederzeit eine Verstimmung
der Laufzeitglieder erkannt werden. Das Maß jeder Laufzeitberichtigung ist ein Kriterium
der Geschwindigkeit über Grund (in Verbindung mit dem rechtweisenden Kurs).
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Der eigene Standort des Flugzeuges ist auf dem Schirm durch den Mittelpunkt
der Strahlauslenkung gekennzeichnet, der wiederum hellgetastet werden kann.
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Um dem Flugzeugführer bei der Landung ein dem optischen Eindruck
entsprechendes Bild der Platzumrandung zu vermitteln, besteht erfindungsgemäß die
Möglichkeit, Fluglagen und -höhen als Projektionsfaktoren in das Schirmbild eingeben
zu lassen. Dabei verursacht beispielsweise eine Neigung um die Längsachse eine Drehung
des gesamten Bildes in entgegengesetzter Richtung um den gleichen Winkelbetrag.
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Die mittels elektromagiieti scber Höhenmessung festgestellte wahre
Höhe bewirkt eine entsprechende perspektivische Verzerrung der vertikalen Anzeige
des Scbirmbildes in dem gleichen Maße, wie sie optisch dem Betrachter erscheinen
würde.
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Das erfindungsgemäße Prinzip auf Wasserläufe und Meeresstraßen angewendet,
ermöglicht nicht nur eine Anzeige von Uferlinien auf dem Bildschirm, sondern auch
eine Kenntlichmachung von Untiefen und Fahrstraßenhindernissen, wie z. B.
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Brückeupfeiler. wenn an den betreffenden Stellen Kennungsfeuer angebracht
werden. Sollen einzelne gekennzeichnete Stellen besonders hervorgehoben werden,
etwa Gefahrenstellen, so kann man ihre Kennungssender beispielsweise mit einer Wobbelmodulation
ausstatten, die sich durch höhere oder niedrigere Frequenz von der Modulation etwaiger
Bezugs feuerlinien oder -figuren unterscheidet.
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Auch Fahrzeuge, die mit der erfindungsgemäßen Navigationsanlage ausgerüstet
sind, können auf dem Leuchtschirm anderer Fahrzeuge erscheinen, wenn gleichzeitig
mit der Auslösung der radialen Auslenkung auf dem Schirm ein kleiner Sender an Bord
mit Rundstrahlantenne auf der Frequenz der Kennungsfeuer getastet wird.
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Zur Navigation in Räumen ohne besonders befeuerte Objekte, insbesondere
zur Großraumnavigation, können Kennungsfeuer mit entsprechender Leistung, denen
ein Muttersender zugeordnet ist, in größeren Abständen aufgestellt werden, etwa
längs der Längen- und Breitengrade, wobei bestimmte Linien mit irgendeiner Kennung
hervorgehoben werden können, so daß der Standort des Fahrzeuges in bezug auf das
gekennzeichnete Liniennetz jederzeit genau ersichtlich wird, auch wenn sich das
Fahrzeug außerhalb des mit Kennungsfeuern versehenen Raumes befindet.
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Das System läßt sich auch in Verbindung mit Karten vorteilhaft anwenden,
auf denen der Standort der Kennungssender verzeichnet ist. Zur Verbesserung der
Navigationsmögligehkeiten wird eine durchscheinende Karte über den Schirm gelegt,
oder das Schirmbild wird auf die Karte projiziert.
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Nachdem die Bezugsfeuerlinien bzw. die Kennungssender auf dem Bildschirm
mit den Standorten auf der Karte zur Deckung gebracht sind, kann man den Weg des
Fahrzeuges auf der Karte verfolgen.