DK161265B - Fremgangsmaade ved kompensering af et lokalt ur, et apparat til udoevelse af fremgangsmaaden, samt anvendelse af apparatet - Google Patents

Description

DK 161265 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde ved kompensering af et ur og et apparat til udøvelse af fremgangsmåden, især OMEGA, hvori det indgår.

5 Lokale ure i elektroniske apparater er i almindelighed realiseret ved hjælp af kvartsoscillatorer af forskellige typer efter den ønskede præcision.

Kvarts af almindelig kvalitet har en god korttidssta- -5 10 bilitet men en betydelig temperaturdrift (typisk 10 over en temperaturvariation på 40 eC), samt en lang- -6 -p; tidsdrift på grund af ældning (omtrent 10 til 10 ).

Den termiske drift er relativ langsom, f.eks. 10”**/h, men på den anden side har den af kvartsen frembragte frekvens 15 til et givet tidspunkt en præcision af størrelsesordenen 10-5.

Der findes kvarts af bedre kvalitet, f.eks. temperaturkompenseret kvarts, hvor præcisionen er 10”**.

20

Visse radionavigationssystemer anvender normaliserede frekvenser, som udsendes i frekvensmellemrum mellem radiostationer, og som er dannet ud fra et ur med meget høj stabilitet, normalt et atomur med en præcision af -12 25 størrelsesordenen 10 . Frekvensen, som modtages af de tilsvarende radionavigationsmodtagere, har en mindre stabilitet på grund af udbredelsesfænomener for de radioelektriske signaler svarende til variationer af stør--9 -8 relsesordenen 10 til 10 , og Doppler-effekten, hvilket 30 for et skib svarer til variationer af størrelsesordenen —8 —7 10 til 10 . Ved navigation efter hyperbelmetoden ud fører modtagerne en sammenligning mellem faserne af forskellige modtagne signaler med et lokalt, meget præcist referenceur, hvortil der dog ikke kræves så høj præcision 35 som hos de modtagne signaler.

2

DK 161265 B

Det hyperbolske navigationssystem OMEGA anvender således otte senderstationer A til H, som er tilstrækkeligt til at dække hele Jorden, og med en lokaliseringspræcision af størrelsesordenen 1 sømil. Ved modtagelsen detekteres i 5 almindelighed signaler fra tre eller undertiden fire stationer, og ved behandling af en efter en af de tre senderfrekvenser på 10,2, 11,33 og- 13,6 kHz.

De udsendte OMEGA-signaler har formater af 10 s varighed, 10 hvor hvert format omfatter en serie på otte intervaller af 1,25 s varighed, i hvilke hver station sender på en frekvens og med en varighed, som er forskellige fra de andres, hvis værdier er givet ved definitionen af OMEGA-systemet.

15

To stationer sender dog aldrig samtidig på samme frekvens, og en OMEGA-modtager skal traditionelt være · i stand til at modtage de tre nævnte frekvenser og behandle informationerne i intervallerne, så der opnås information 20 om: varigheden af de udsendte signaler i hvert interval, hvorved senderstationerne kan identificeres, og formaterne begyndelse kan bestemmes, samt 25 signalernes fase i sammenligning med et lokalt ur for herfra at uddrage den mobile modtagers position ved bestemmelse af de forskellige signalers indbyrdes fase.

t 30 Kendte navigationsmodtagere, især OMEGA-modtagere, benytter et lokalt ur med en temperaturkompenseret oscillator (f.eks. TCXO), som sikrer en præcision bedre end 10**^.

Det drejer sig om et kostbart apparat (kvarts af høj kvalitet og/eller termostateret kvarts).

US patent nr. 3 936 763 beskriver et radionavigationsapparat omfattende: 35 3

DK 161265 B

- kredsløb til modtagelse af mindst ét signal med nævnte intervalform fra mindst én pilotsender med et høj-præcisionsur; 5 - et synkroniseringskredsløb til etablering af i det mindste tilnærmelsesvis synkronisation i senderens intervaller; - et sammenligningskredsløb til sampling af nævnte signal 10 med en samplingfrekvens på et submultiplum af det lokale urs frekvens og til herudfra at uddrage en sammenligning mellem det lokale urs frekvens og det modtagne signals frekvens.

15 US patent nr. 3 968 493 beskrive en digital fasekompara-tor anvendt på et radionavigationsapparat og omfattende bl.a. et korrektionskredsløb til korrektion af det lokale urs fase.

20 Formålet med nærværende opfindelse er at tilvejebringe en fremgangsmåde til kompensation af urets drift, og som tillader at øge det lokale urs præcision, især i et apparat til radionavigation.

25 Opfindelsen angår således en fremgangsmåde til kompensation af et lokalt urs drift og omfattende: - der modtages mindst ét udsendt signal (Fq, eller F2) i intervalform fra mindst én pilotsender med et ur med 30 høj præcision; - der skabes i det mindste tilnærmelsesvis synkronisation på senderens udsendte intervaller; 35 - signalet samples med en samplingfrekvens (F_), som er

Et submultiplum af det lokale urs frekvens, og herudfra uddrages en sammenligning mellem frekvensen af det lokale 4

DK 161265 B

ur og af det udsendte signal; - det lokale urs frekvens korrigeres som funktion af resultatet af nævnte sammenligning; 5 hvorved samplingfrekvensen (Fg) er defineret ved division af urets frekvens og nominelt er lig med det udsendte signals frekvens eller med et submultiplum deraf, hvor flere signaler udsendt med forskellig frekvens modtages i 10 intervalform fra mindst én sender, og hvor samplingfrekvensen er et fælles supmultiplum af de udsendte signalers frekvenser. Fremgangsmåden er ejendommelig ved, at der ved slutningen af samplingoperationen opnås impulspar (ag, hg; a^, b^; a2, ^vis repetitionsfrekvens svarer 15 til samplingfrekvensen () for at danne en sample (Sq, a^, 82) og en 90 0 faseforskudt sample (b^, b^, b2> for en given frekvens (henholdsvis Fq, F^ eller F2), og ved at tidsforskydningen mellem samplingfrekvensen (Fg) og mindst én frekvens af mindst ét af de udsendte signaler 20 (Fq, F1 eller F2) beregnes periodisk.

Opfindelsen angår endvidere et apparat til udøvelse af fremgangsmåden til kompensation af et lokalt ur, hvilket apparat er ejendommeligt ved det i krav 7 angivne. Ligeså 25 angår opfindelsen anvendelsen af et sådant apparat i et radionavigationsapparat beregnet til bestemmelse af en mobil position, som nærmere angivet i krav 9.

I det følgende forklares opfindelsen nærmere med OMEGA-30 navigationssystemet som eksempel 'i forbindelse med tegningen, hvor: fig. 1 er et principskema for kompenseringsanordningen, 35 fig. 2 er et skema for de tre nyttefrekvenser i et OMEGA-anlæg med otte sendere,

5 DK 161265 B

fig. 3 svarer til udsendelsen af frekvensen F^fra tre af OMEGA-senderne.

fig. 4 og 5 viser to udførelsesformer for en fasesammenlig-j ning ifølge opfindelsen, fig. 6 og 7 er eksempleringsdiagrammer ifølge udførelsesformen på fig. 4, fig. 8 viser en udførelsesform, hvor man sammenkobler de forskellige sendere med en go samme OMEGA-frekvens til bestemmelse af afdriften af det ur, der skal kompenseres, 10 fig. 9 og 10 viser to forskellige former for kompenseringsoperationen for uret, og fig, 11 er en udførelsesform for opfindelsen med en mikrokrop-processor.

^ Som vist på fig. 1 eksemplerer en sammenligningskreds 1 til en eksempleringsfrekvens F[r, der udgør et submultiplum af frekvensen af et lokalt ur 3, mindst ét bølgetog, der styres af et præcisionsur og modtages af en modtagerkreds 2 til udledelse af en sammenligning imellem frekvensen F af det lokale ur 3 og frekvensen af bølgetoget. En synkroniseringskreds c 4 muliggør en centrering af sammenligningskredsen 1 på sender- stationens bølgekamme, dvs. de tidspunkter, hvor stationen udsender et signal med en given frekvens og en i det væsentlige konstant amplitude. En korrektionskreds 5 foretager en korrektion ud fra resultatet af sammenligningen. Denne korrektion anvendes til at kompensere det lokale ur 3, hvis iboende præ-^ cision er meget mindre end præcisionen af det modtagne bølge tog .

En sådan uddragning af tiden ud fra bølgetog, især i radionavigationsanlæg, kræver ikke blot, at bølgetogene styres fra grunden med en tilstrækkelig præcision, men ¢. også, at varigheden af en bølgekam eller af summen af bølgekammene fra de anvendte senderstationer yder en tilstrækkelig information til at påbegynde en startoperation 6

DK 161265 B

for synkronisering og låsning af faseløkkerne. Hvis eksempelvis en synkronisering er mulig med OMEGA-anlægget med et ikke kompenseret ur, er dette meget vanskeligt i LORAN-anlægget som følge af bølge-5 togenes korthed, der mere svarer til impulser end til bølgekamme. Endvidere må bølgetogene ikke blive genstand for umådeholdne udbredelsesforstyrrelser.

På fig. 2 udsender otte OMEGA-sendere A-H hver især blandt andet tre frekvenser Fg = 10,2 kHz, F^ = 11,33 kHz 10 og F^ = 13,6 kHz med mellemrum på 10 s, hvor hver en kelt bølgekam kan vare fra 0,9 s til 1,2 s og med fastlagte mellemrum imellem de enkelte bølgekamme. En OMEGA-udsendelse omfatter otte bølgekamme på 1,25 s, om hvilke bølgetogene fra OMEGA-senderne er centreret.

15 Bølgetogsekvenserne for de forskellige frekvenser fra- hver sender er faseforskudt med længden af en bølgekam således, at der aldrig udsendes to identiske frekvenser samtidigt af to forskellige sendere.

I det følgende begrænses beskrivelsen til en modtager med 20 tre navigationsfrekvenser. Anvendelsen af den fælles fjerde frekvens (11,05 kHz) og særskilte frekvenser muliggør at forbedre anlægget og kan finde sted på konventionel måde.

Fig. 3 viser den fra senderne A, B og D udsendte fre-25 kvens Fg, der kan modtages i et givet område ifølge for delingen i en OMEGA-udsendelse.

De tre frekvenser Fg, F^ og er de normalt anvendte til måling af beliggenheden af et bevægeligt fartøj med βπ ombordværende modtager. OMEGA-anlægget bygger i 30 jdet væsentlige på erkendelsen af faseforskellene .imel lem de valgte koblinger for bølgetogskamme med frekvensen 10,2 kHz. De to andre frekvenser tjener i det væsentlige til opklaring af flertydigheder, da signaler med 7

DK 16126 δB

samme fase opfanges på steder i rummet med en afstand på en bølgelængde fra den betragtede sender.

Antages nu, at fasen for hver af de tre frekvenser 5 Fg, F^ og Fp måles i forhold til et lokalt ur, der besidder en vis præcision på et givet tidspunkt, men hvis gang langsomt svinger, vil fasen for hver af frekvenserne som betragtet af det lokale ur svinge med en hældning som angivet ved liniestykkerne på fig. 3 10 og svarende til præcisionen af det lokale ur i det givne øjeblik, men i modsat retning, l/ærdierne af disse tre hældninger vil variere meget langsomt med tiden, fordi afdriften af det lokale ur i sig selv er meget langsom. Disse hældninger er repræsenteret med hæl-13 dende liniestykker, fordi de under tilstrækkelig korte tidsrum forløber omtrent retliniet.

På fig. 4 bestemmes for hver OMEGA-bølgekam på 1,25 s en centreret nyttezone med en længde på ca. 0,625 s, og som svarer til den fælles nyttebrøkdel af 0MEGA-20 bølgetogene for alle bølgekammene, der som nævnt har en varighed imellem 0,9 s og 1,2 s, dvs., at bølgekammene på 625 ms altid forbliver indbefattet i de udsendte bølgekamme på 0,9 s til 1,2 s. Det er under dette interval, at man ved eksemplering foretager målingen af fasen 25 for de tre frekvenser F^, F^ og F^ og for de otte sen dere således, at man heraf kan udlede middel faserne 0.

På fig. 5 tilvejebringes der to fasemålinger under nyttetiden på 0,625 s ved at opdele disse i to zoner med en længde på ca. 0,3 s således, at der opnås to målinger 30 0^ og @2 f°r middelfasen af hver frekvens. Nytten heraf forklares nærmere nedenfor.

8

DK 161265 B

Funktionen af en OMEGA-modtager begynder med en synkroniseringsfase, der tjener til at centrere modtagelsen om bølgetogskammene og til at genfinde begyndelsen af OMEGA-udsendelserne. Det forstås, at alle 5 konventionelle synkroniseringsløkker kan anvendes in den for opfindelsens ramme. I det følgende beskrives dog en særskilt synkronisering, som er formålstjenlig i forbindelse med kompenseringsanordningen ifølge opfindelsen .

10 Som vist på fig. 6 fremviser det lokale ur impulser med en eksempleringsfrekvens F^. på 188,88 Hz, der er opnået ved frekvensdeling og har den fordel at være et fælles submultiplum for de tre frekvenser Fg, F^ og F^ (men som naturligvis ikke har større præcision 15 end det lokale ur). Dette valg muliggør at forenkle behandlingen af informationerne. Derimod er eksemple-ringsfrekvensen F^. ikke et submultiplum af de andre OMEGA-frekvenser, eksempelvis 11,05 kHz, hvilket muliggør at eliminere dem i middel. Eksempleringen svarer 20 til på hinanden følgende tilbagevendende perioder med frekvensen 188,88 Hz, der hver især forudsætter seks elementære eksempleringsoperationer (se også fig. 7), den første til at lagre eksempleringen a^ for frekvensen Fg, den anden til at lagre eksempleringen bg i kvadratur 25 med ag, og således videre for henholdsvis a^ og b^, og a£ og b^, for frekvenserne og F^· Antages Tg = 1/Fg, T^ = 1/F^ og = l/^, kommuteres OMEGA-filtrene i rækkefølge på de tre frekvenser Fg, F^ og F2 med en frekvens på 3F^., idet hver eksemplering ag finder sted ved begyn-30 delsen af hver eksempleringsperiode og efterfølges af en eksemplering bg i kvadratur, adskilt fra ag med (0,25 + Kg) Tg med Kg værende et helt positivt tal eller nul. Uanset værdien af Kg ændres eksempleringsbetingel-serne ikke. Hver eksemplering a^ finder sted efter den 35 foregående eksemplering ag og efterfølges af en eksem- 9

DK 16 1265 B

piering b^ i kvadratur, adskilt fra med (0,25 + K^)T^ med værende et helt,positivt tal eller nul. Hver eksemplering a^ finder sted efter den foregående ek-semplering og efterfølges af en eksemplering b^ i 5 kvadratur, adskilt fra a^ med (0,25 + ^2^2 mec* ^2 værende et helt positivt tal eller nul. På den anden side er a^ adskilt fra a^ med et mellemrum A, adskilt fra b^ med et mellemrum B og den efterfølgende adskilt fra med et mellemrum C. Kg, K^, A, B og C vælges fortrinsvis således, at eksempleringerne fordeles jævnt i mellemrummet T^- = 1/F^.· På fig. 7 er valgt Kg = = 8, = 10, A = 809 yUs, B = 729 yUS, C = 1467 yUs.

Med en skridtlængde på 25,6 Hz bestemmes den normalise-rede varians. Som vist på fig. 6, og da 25,6 ikke er et submultiplum af 188,88, svarer der til hvert skridt for frekvensen 25,6 Hz syv eller otte eksempleringer for 188,88 Hz. Derimod svarer 32 skridt på 25,6 Hz til en OMEGA-bølgekam (1,25 s). For en i'te impuls af et 20 signal på 25,6 Hz, der optræder på tidspunktet t, be regnes den normaliserede varians r^ ud fra de foregående eksempleringer for de tre frekvenser F., hvor j «1 varierer fra 0 til 2.

Man sætter da: t —5 }=2 ΈΖ (a2 + _ t-625 j=0 {aj + y__ t-625 j=0 3j + J-6ZT' j=0 °i

DK 161265B

10 Tælleren består således af summen af kvadraterne af alle eksempleringerne a. og b. tilvejebragt imellem tidspunktet t-625 ms og tidspunktet t. Nævneren består af summen af to led. Det første er kvadratet af 5 summen af resultaterne af alle eksempleringer a^ til vejebragt imellem tidspunktet t-625 ms og tidspunktet t, og det andet er kvadratet af summen af resultatet af alle kvadratur-eksempleringerne b ^ tilvejebragt imellem tidspunktet t-625 ms og tidspunktet t.

10 For at forenkle beregningerne kan den normaliserede varians beregnes ud fra de partielle sammentællinger med trinnet 25,6 Hz. For den k'te impuls af signalet på 25,6 Hz sættes: akj = aj middelværdisat ^0Γ aHe eksempleringerne ud -15 fra den (k-l)'te impuls af signalet på 25,6 Hz, b^j = bj middelværdisat for alle eksempleringerne ud fra den (k-l)'te impuls af signalet på 25,6 Hz.

Heraf følger: k=iT2 / 2 K2 x Γΐ. ki&e.i =o (akj + V_ k=jtj=2 2 k=i^Jj=2 2 kiT6,j=0 akj + k=w5, j=0 bkj

Denne summering finder sted under 625 ms, da dette er 20 det mellemrum, der adskiller 16 gentagne impulser på 25,6 Hz. I en første tilnærmelse er for ikke stærkt støjfyldte signaler den omvendte værdi qij (eller q'ij) af den normaliserede varians henholdsvis· rij (eller r'ij) den kvalitet, som er så meget desto 25 større, som de modtagne bølgetog er kraftige. Variansen er en ved ovennævnte statistiske formel umiddelbart måle-

DK 161265 B

11 lig fysisk størrelse. Derimod er kvaliteten en størrelse uden fysisk betydning, som er bekvem til synkronismeundersøgelse. Den svarer på ikke højmatematisk måde til et signal/støj-forhold. Den kan til 5 gengæld bestemmes på anden måde end gennem den om vendte varians, men således, at en tilfældig støj svarer til en kvalitet nul og et signal med en frekvens som multiplum af eksempleringsfrekvensen til en kvalitet, som ikke er nul.

10 Denne kvalitet beregnes altså ud fra varianserne med den samme frekvens på 25,6 Hz, og dens værdier sammenlægges med skridt på 1,25 s, der svarer til skridtet af OMEGA-bølgetogene. Et tidsrum på 1,25 s svarer til et helt antal på 32 impulser med frekvensen 25,6 j5 Hz. Derfor foretages kvalitetssammentællinger modulo 1,25 s til at finde beliggenheden af OMEGA-bølgekamme-ne, der er tilvejebragt ud fra kvalitetsmaksimum, ved .således at drage nytte af de tre frekvenser F^, og F^ ved sammentællingen og af det samlede antal sendere, der 2o kan modtages. Det bemærkes, at målingen ikke forstyrres af de ikke modtagne sendere, der svarer til en tilfældig støj ved modtagelsen og altså til nul kvalitet. Ud fra den ovennævnte beregningsmåde opnås maksimumkvalitet ved slutningen af det nyttige fællesområde for OMEGA-bøl-25 getogene, hvilket altså muliggør at positionere det til urkompenseringen anvendte område på 625 ms.

Ved anvendelse af anordningen tilvejebringes sammentællingerne over et vist antal OMEGA-udsendelser til at opnå en til synkroniseringen tilstrækkelig statistik.

30 Det bemærkes, at denne synkronisering kun er en grov aflåsning på OMEGA-udsendelsen, der er tilstrækkelig til kompensering af urafdriften, som nærmere angivet i det følgende, men ikke er så bearbejdet som den fin- ' 12

DK 161265 B

synkronisering, der normalt anvendes til behandling af den positionsinformation, der modtages af en OMEGA-modtager. Udførelsen af en sådan grov synkroniseringsoperation er fordelagtig ved at tilveje-5 bringe hurtigere resultater end en finsynkronise ring.

Sammenligningen imellem faserne af OMEGA-udsendelserne og faserne af det ur, der skal kompenseres, tilvejebringes ud fra de informationer, der er eksempleret 10 i det interval, der afgrænses af 16 impulser med fre kvensen 25,6 Hz, som udgør nyttezonen på 625 ms.

Denne fasemåling tilvejebringes fortrinsvis for hver af frekvenserne Fg, F^ og og for hver af de modtagne sendere (i praksis tre eller fire).

15 Som tidligere nævnt (i fig. 4) kan man tilvejebringe en særskilt middelværdi for hver OMEGA-bølgekam for de modtagne frekvenser. Antages eksempelvis (se fig. 3), at frekvenserne Fg, F^ og F^ modtages fra senderne A, B og D, udregnes ved deres fremtræden i hver udsendelse 20 faserne 0AFQ, 0AF1> 0AF2’ 0BF0’ 0BF1’ 0BF2’ 0DF0’ 0DF1’ 0DF2* ^er betegner eksempelvis notationen 0Apg faseforskellen udtrykt i radianer imellem det af senderen A udsendte signal Fg og det lokale ur som målt ved middelværdien over nyttezonen på 650 ms af den tilsvarende 25 bølgekam. Man har da: b0 Øflrn = arctg - , der middelværdisættes under varig- nr U 3ø heden af nyttezonen af en bølgekam af en OMEGA-udsen-delse, der svarer til udsendelsen af Fg fra senderen A.

Heraf udledes tidsforskydningen TAFg = 2ΪΥΐ—0AF0*

DK 161265B

13

Det samme gælder naturligvis for de andre faser.

Det bemærkes, at inden for kompenseringsanordningens ramme er det ikke nødvendigt at identificere senderne A, B eller D som sådan, fordi deres udsendelser ven-5 der tilbage hvert 10 s.

Som vist på fig. 5 kan man hensigtsmæssigt tilvejebringe to middelværdier, af hvilke den ene svarer til den første halvdel af nyttezonen og den anden til dennes anden halvdel. Derved opnås der for hver udsendelse 10 18 middelværdisatte faser: Ø^pg> ®2AF0’ ^1AF1’ *^2AF1’ 01AF2’ 02AF2’ 01BF0’ 02BF0’ 01BF1’ 02BF1’ 01BF2’ 02BF2’

(Ά Cl \Å (λ Ό[ GI

1DF0’ 2DF0’ "lDFl* 2DF1’ “lDF2’ 2DF2* 01AF0 er ^aseForskellen imellem det af senderen A udsendte signal Fg og det lokale ur som målt ved mid-15 'delværdien over den første halvdel af nyttezonen af den tilsvarende bølgekam. Altså: ^0 Ølnr-n = arctg - som middelværdisat under den første 1AF0 3 Sg halvdel af nyttezonen af en bølgekam af en OMEGA-udsen- delsen svarende til udsendelsen af F„ fra senderen A.

1 0 20 Ligeledes haves T1ftr = Ønc· .

-* o *- li * Q ^ Q

Denne dobbelte måling af fasen i en OMEGA-bølgekam er fordelagtig ved at forbedre anlæggets opløsningsevne, dvs., at en korrekt lineær ekstrapolering kan opnås ved hjælp af en forudsigelsesberegning, da svarer 25 til en fasedrejning, der kan nå op til 27Γ under 0,3 s.

Betydningen af en sådan ekstrapolering fremgår nærmere nedenfor.

DK 161265B

14

Fig. 8 viser, hvorledes man fordelagtigt kan sammenbehandle de forskellige tidsforskydningsmålinger tilvejebragt ud fra senderne A, B og D for frekvensen F0· 5 Variation af Ø.r eller af T.r imellem to på hinanden

Al· Q Al· Q

følgende udsendelser kan sammenlignes med en ret linie, da afdrifterne af det stedlige ur er meget langsomme, og man naturligvis befinder sig i en tilstand, hvor man kan se bort fra Doppler-effekten. Det samme gælder 10 variationen af 0DI- eller af TD1_ . Da A og B er to sta- BF0 BF0 tioner, der udsender med en stor afstand fra hinanden, vil det bevægelige fartøj, der modtager dem, detektere dem med en relativ fase, altså en relativ forskydning, der er en funktion af fartøjets beliggenhed. Af denne 15 grund er de rette linier, der forbinder faserne 0._

Al· g eller tidsforskydningerne ΤΔ|Γ med faserne Ønr ^0 0 eller tidsforskydningerne Tgp- for de på hinanden følgende udsendelser almindeligvis parallelle, men ikke sammenfaldende.

20 Sættes TRfl = ΤΔ(- -TRr for den første på fig. 8 repræsen- bA nr 0 Of q terede udsendelsesrække og T’D(I = Trtr -TDC. for den BA AFq BFq følgende udsendelsesrække, haves: ΔΤΒΑ = T'BA-TBA’

Da en given måling af ΤΔΓ påvirkes af støjen, fører en

Al· Q

25 lineær ekstrapolering ikke nødvendigvis til en -ΔΤββ på

DK 161265B

15 nul, d.v/.s., at det til denne ekstrapolering svarende punkt P i højde med den bølgekam, hvormed senderen B udsender Fg, skal korrigeres med Δτβα for at overgå til et punkt P', der således svarer til en direkte 5 udnyttelig fasemåling, der kan anvendes til at kompen sere for den relative forskydning imellem de fra senderne A og B modtagne bølgetog. Det samme gælder naturligvis senderen D. For hver udsendelsesrække gentages denne operation, hvilket giver en rækkefølge af 10 målepunkter henført til senderen A, der virker som re ferencesender. Som referencesender vælges fortrinsvis den sender, der modtages bedst, d.v.s. den sender, der ligger nærmest ved det bevægelige fartøj. Disse operationer gennemføres også, og fortrinsvis med den samme 15 referencesender, for frekvenserne F^ og Fhvorved man kan akkumulere maksimum af statistik. Det forstås umiddelbart, at en lignende behandling kan foretages ud fra •forskydningerne og (F i g - 5).

Når anordningen ifølge opfindelsen skal tages i brug, 20 tilvejebringes der under et givet tidsrum, eksempelvis 5 minj en filtrering ved middelværdisætning af fasehældningerne, eksempelvis ved at behandle målingerne af de tidsforskudte faser T for Fg, F^ og F^, korrigeret i forhold til en referencesender, ved de mindste 25 kvadraters metode for at opnå middelhældningsværdier for tidsforskydningen t svarende til præcisionen af det lokale ur, der skal korrigeres. Afdriften af dette ur skal i dette tidsrum være helt ubetydelig. Konventionelle kvalitetskvartsure frembyder en afdrift af væsentlig tem-30 peraturafhængig art, d.v.s. langsomt. En hurtig afdrift sker i praksis kun, når strømfødningen af kvartsen er defekt. Der skal derfor anvendes et ur med en korrekt stabiliseret strømfødning. Der opnås da tre hældnings-middelværdier beregnet for Fg, F^ og på henholdsvis

DK 161265B

16

/XX /XX /XX

U t J F0’l ^vt I Fj’l At I F2

Af hensyn til den over de tre frekvenser F^, og F^ akkumulerede statistik beregnes en kumuleret middel-hældningsgrad, dvs.: /X ) (X\ (X\ /λτ X X/ F<AAt / Fi \ At / f2 (_m i ______ · F0,F1,F2 3

Denne hældning, bereqnet ved begyndelsen, anvendes til 5 at påføre det lokale ur en begyndelseskorrektion.

Beregningen gentages med givne mellemrum for at tilvejebringe kompenseringen af afdrifterne.

I en på fig. 9 vist første udførelsesform for kompenseringen korrigeres det lokale ur ved aktivering på en 10 styrespænding, eksempelvis på i og for sig kendt måde ved hjælp af en spændingsstyret kondensator (Varicap).

En behandlingsenhed U.T. modtager frekvenserne Fg, F^ og F^ samt frekvensen F af den oscillator, der skal kompenseres, efter frekvensdeling i en divisor D efter et for-15 hold n og frembringer ved sin udgang et signal , der indføres i en analog regulator R med integral aktivering. Regulatoren R styrer styrespændingen for kvartsen i oscillatorens styrekredsløb CO. Ved ibrugtagningen indføres altså signalet /δτπΛ F ved indgangen til lAt I h 0 ’ 1’ h2 20 regulatoren R. Derefter erstattes signalet /£^_jn\ c p- c VΔ t ) 0 ’ 1 ’ 2 periodisk med signaler udarbejdet under tilsvarende betingelser, eksempelvis den kumulerede statistik under de 17

DK 161265 B

fem foregående minutter. Med givne tidsmellemrum modtager regulatoren R ved sin indgang svarende

At

til en middelhældning kumuleret under et givet tidsrum, eksempelvis de sidste fem minutter. Under 5 hele varigheden af et tidsrum modtager regulatoren R

den samme værdi.

I den på fig. 10 viste foretrukne udførelsesform korrigeres det lokale ur ved aktivering af de impulser, der er modtaget. Til dette formål afgiver behandlingsen-10 heden U.T. under de samme betingelser som for den på fig. 9 viste udførelsesform signalerne , denne gang i en numerisk regulator R' med integr^^ aktivering. Regulatoren R' integrerer , indtil denne værdi svarer til en forskydning på ^ en valgt frekvens, ek- 15 sempelvis Fg. Regulatoren R' påvirker da delekredsen D, som ifølge et delingsforhold n deler de af urets styre-kreds CO leverede ursignaler således, at der i en periode sker en ændring af deleforholdet, dvs., at dette bliver n-1 eller n+1 alt efter retningen af fasevariationen.

20 Antages det, at den anvendte kvarts har en nominel egen frekvens på 1,8888 MHz, og at deleforholdet n er lig med 10 000, for at opnå en eksemplering på 188,88 Hz, og at den integreredep ^ar en værdi svarende til en given fasevariation A% for frekvensen Fg, dvs., at 25 frekvensen Fg har fået et tidsforspring på j^^f/Fg i forhold til det lokale ur, vil delingsforholdet for divisoren D for en enkelt deleoperation etableres pa en værdi lig med n-1 = 9999 til at genjustere det stedlige ur. I tilfælde af en forsinkelse etableres n+1 = 30 10 001.

Som vist på fig. 7 opnås kompenseringen da ved at modulere det ene af intervallerne A, B eller C, fortrinsvis intervallet C. Når der ikke skal påtrykkes en korrektion, 18

DK 161265 B

omfatter dette interval et givet antal impulser fra det lokale ur, i det givne eksempel 2771, svarende til 1467 yus. Dette antal trin forøges med en enhed opad eller nedad efter den korrektion, der skal på-5 trykkes, i det nævnte eksempel 2770 eller 2772. Må lingen af stationernes faser, der ligeledes udsendes ved eksempleringerne i fase og i tværfase med det lokale ur, er ikke mæ-rkbar i forhold til det statistisk indførte meget små korrektioner (- 10 ^).

10 Fig. 11 viser en udførelsesform for opfindelsen ifølge den på fig. 9 viste udførelsesform for kompenseringen.

En modtagerkreds SX modtager signalerne af OMEGA-bølge-togene og indfører dem i en kommuteringskreds CF for OMEGA-filtre med frekvenserne Fg, F^ og F^· En automa-15 tisk forstærkningsstyrekreds CAG overfører de modtagne frekvenser til en eksempleringskreds CE, hvis signaler, omsat i digital form af en analog/digital-omsætter NUM, indføres i en mikroprocessor /uP. Mikroprocessoren /uP sender eksempleringsordrer til en tidsbasiskreds BT, som 20 modtager impulserne fra en oscillatorstyrekreds CO og til eksempleringskredsen CE sender impulsrækker bestemt til eksempleringerne ag, bg, aj_, bj, a£ og b£· Det delingsfor-hold, som tidsbasiskredsen BT påfører de periodisk optrædende impulser, styres gennem ordrer fra mikroprocessoren 25 /uP, som tidstro foretager synkroniseringsberegningerne for bølgetogsrækkerne samt faseberegningerne ifølge den ovenfor beskrevne behandlingsmåde.

Et anlæg ifølge fig. 11 udgør kun et OMEGA-radionavi-gationsanlæg, når mikroprocessoren ^uP også foretager 30 de egentlige stedbestemmelsesberegninger.

Når faseløkken til korrektion af det lokale ur er aflåst i tilstrækkelig lang tid, og når OMEGA-bølge-togene modtages under normale forhold, har det korri- 19

DK 161265 B

gerede lokale ur en præcision, der svarer til OMEGA-udsendelserne på nær udbredelsesfænomenerne, dvs.

10"9 - 10'8.

På den anden side frembyder urets statistiske kompen-5 sering (fig. 10 og 11) ingen ulemper for behandlingen af OMEGA-signalerne med henblik på fartøjets stedbestemmelse, da denne tilnærmelse svarer til en i praksis ret lille fasestøj, som ikke belaster bestemmelsens nøjagtighed.

10 Den beskrevne kompenseringsanordning er kun en tilnær melse. I virkeligheden indfører fartøjets forskydninger variationer for fasen af de modtagne bølgetog, i-det den relative fase imellem disse bølgetog anvendes til stedbestemmelsen af fartøjet. Resultatet er, at 15 det lokale ur kompenseres for frekvensens vedkommende, men ikke for fasens vedkommende. Det bemærkes, at stedbestemmelsen af fartøjet inden for OMEGA-anlæggets ramme kræver en frekvensstabilitet af det lokale ur (typisk bedre end 10 °), men uret behøver ikke at faselåses. Den 20 beskrevne kompenseringsanordning er altså tilfredsstil lende til denne anvendelse.

I en mere gennemarbejdet udførelsesform tages der hensyn til fartøjets position ved kompenseringen af det stedlige ur. Denne operation finder i store træk sted som 25 følger:

Der tilvejebringes en første kompensering af det lokåle ur som beskrevet ovenfor, hvormed man kan beregne de relative faser imellem bølgetogene med samme frekvens og fartøjets position, 30 de således beregnede faseinformationer anvendes til fase låsning af det lokale ur, hvormed man efter konvergen- 20

DK 161265 B

sen af algoritmerne i alle tilfælde kan sikre uret en stabilitet, der kan sammenlignes med stabiliteten af universaltidsuret, bortset fra Doppler-effekten og udbredelsesunøjagtigheder.

5 En sådan operation sker detaljeret som følger:

Lad XjJ(t) være antallet af de perioder, der modtages af anordningen fra stationen k for frekvensen F^., mellem idriftsætningen og tidspunktet t, og hvor k varierer fra 1 til 8 og svarer til stationerne A til 10 H i DMEGA-anlægget.

Lad SjJ(t) være antallet af de perioder, der udsendes fra stationen k for frekvensen F., imellem idriftsæt- J’ ningen af anordningen og tidspunktet t.

Lad ^ . være bølgelængden af et signal med frekvensen F..

15 Lad k være fartøjets afstand fra stationen A.

Heraf følger: o .

Sj^(t) = Xj^(t) + —(antallet af de udsendte perioder er lig med antallet af de modtagne perioder med tillæg af antallet af perioder på strækningen).

20 Heraf udledes den absolutte tid: sjj(t) ^ k T — 7= — r- + —— F . F . c

J J

Det første trin er optællingen af de modtagne perioder.

Lad E(x) være heltalsdelen af x.

DK 161265B

21

Lad R(x) = x - E(x) være brøkdelsdelen af x.

Man sætter: ^ (x) = (x) = R(x ~ - γ·

For ane reelle „ardier .Γ , .

For alle heltalsværdier af n haves også f* (n) - 0.

5 ?( x) kaldes residualfasen af x. En sådan brug af residual fasen varierende imellem og +-j forenkler af symmetrigrunde beregningsoperationerne.

Der kan naturligvis vælges en anden repræsentativ funktion, da tilnærmelsesberegningerne sker på grundlag 10 af differenser.

For en given eksemplering med frekvensen A. haves:

J

^ k = TfT 0kF . 2 med k= A’ B ' ”H

J j= 0, 1, 2

Der sættes: ^kk ' v k' vk

yJ _ y J yJ

*kk' " V Ak '

Desuden svarer *i<p> og XjJ(p) til resultaterne af ek-sempleringerne for den p'te OMEGA-udsendelsesrække.

15 For hvert 10. sekund ajourføres for alle stationerne k og for frekvensen F. antallet X^. af de af stationerne y J gk modtagne perioder i forhold til en fiktiv barycentrisk station g. Denne tilbagevenden berører ikke det lokale ur.

22

DK 161265 B

Lad og cCj^ være henholdsvis variansen og kvaliteten af det af stationen k modtagne bølgetog for frekvensen F. og kumuleret på den tilsvarende bølgekam «3 af den p'te OMEGA-udsendelsesrække.

5 For den p'te OMEGA-udsendelsesrække haves:

Xgk(p) = Xgk(P-1) +^“kP,(p).F ^kk’<p)_Xkk· tp_1^ ·

Bortset fra Doppler-effekten og udbredelsesunøjagtig-heder haves:

Xkk' (p_1> =fkk'(p-1> '

Leddet X^(p), der svarer til det af den fiktive bary-centriske station modtagne antal perioder, kan kun 10 gyldigt opnås, når urfrekvensen H er kendt.

Man har:

Xg(p) = X^(p-1)+^ ^s(p)-s(p-l)^ + a ^(ρ) , hvor oi^(p) = a j^(p) , og s(p) er periodetallet den lokale kvarts med frekvensen H på et udvalgt tidspunkt af den p'te OMEGA-udsendelsesrække. Dette tids-15 punkt kan vælges vilkårligt, men varierer ikke fra den ene til den anden udsendelsesrække. Det bestemmes ud fra det frekvenskorrigerede lokale ur. På den anden side virker som en vægtningskoefficient til at gøre konvergensen langsommere, men sikrere.

20 Desuden haves: £l = ^“kfiXgk(P)+Xg(P-1)+-H - TkJ.

23

DK 16126 S B

For hver OMEGA-udsendelsesrække lejres nu rækken af behandlingsoperationer på følgende måde: a) erhvervelse af signalprøver b) beregning af værdierne for og r£ 5 c) beregning af værdien for d^jj/dt samt beregning af værdierne for og ex'-* fra værdierne r^ d) beregning af e) beregning af H og f) beregning af den absolutte tid T.

10 Det ovenfor givne algoritme-eksempel, er naturligvis en særlig beregningsmåde, som er fordelagtig til at bestemme den fiktive barycentriske station under mellemkomst af kvaliteterne af de forskellige bølgetog, der modtages for de forskellige frekvenser og fra de 15 forskellige stationer. Det forstås, at der kan anven des en anden vægtningsmetode. Således kan man konventionelt modtage alle ctj^(p) lig med 1, eller vælge dem under 1 og da vægte dem med faktorer 1/0 k, som kun kan udvikle hver n'te OMEGA-udsendelsesrække.

20 For en vægtning, der er fastlagt én gang for alle, er rækkefølgen af behandlingsoperationer da væsentlig kortere : a) erhvervelse af signalprøver b) beregning af værdierne for 25 c) beregning af værdierne d *{ j^/dt d) beregning af X^ e) beregning af H og af f) beregning af den absolutte tid T.

24

DK 161265 B

På samme måde vil den behandlingsoperation, der fører til beregning af den absolutte tid, og som illustreres nedenfor, være betinget af en vægtning under de samme betingelser som i det foregående. Af de 5 samme grunde illustreres denne vægtning for en fo- retrukken ud førelses form under hensyntagen til kvaliteten af de bølgetog, der modtages for de forskellige frekvenser og fra de forskellige stationer.

Beregningen af tiden T kan tilvejebringes ud fra en 10 enkelt frekvens j. For den p'te OMEGA-udsendelses- række gælder: τ_.(ρ)=τ_.(Ρ-ΐ)+ s(p)-s(p-1) + ajq , hvor <*J =^^(ρΗΓ. |τ ^ (p-1)+ ^ .

Denne tidsberegning tilvejebringes fortrinsvis ved at anvende de tre frekvenser Fg, F^ og F^, eksempelvis ved en middelværdisætning.

15 På lignende måde kan man definere et såkaldt barycen- trisk tidspunkt Tg(p), der tager hensyn til kvaliteten.

Dette tidspunkt bestemmes ved følgende gentagelse:

Tg(p)=Tg(p-l)+ S-Cpi-stp-l) £l H J Fj hvor a = a. on

j J

ίί=ψ4 F, (τ9(ρ-ι). · 25

DK 161265 B

Heraf udledes den absolutte tid T ved følgende formel, som er gyldig for alle værdier af j og k: X ^ gk fk T(p) = Tg(p)+ - - - ,

F . c J

hvor ^k er fartøjets afstand fra kilden k, således som beregnet af radionavigationsanlægget. Som for fre-5 kvensens vedkommende muliggør den absolutte tid at genindstille fasen af det lokale ur til at synkronisere dette med den beregnede absolutte tid.

Det forstås af gennemsnits fagmanden, at de ovenfor gengivne formler med konvergente rækker giver resultater, 10 som afhænger af de fra begyndelsen valgte startbetin gelser. For den konventionelt med 0 betegnede 0MEGA-udsendelse kan man eksempelvis for en vilkårlig værdi af k og j vælge:

Xjj = 0, = 1, s(o) = 0.

Foruden at kunne anvende det korrigerede lokale ur 15 i forbindelse med radionavigationsanlæg, hvis signaler har bidraget til korrektion af uret, kan dette også anvendes til afkodning af andre udsendelser fra kombinerede radionavigationsanlæg, eksempelvis OMEGA og LØRAN C.

Især anlægget LORAN C kræver et lokalt ur med en stor 20 præcision, som kompenseringsanordningen ifølge opfin delsen er i stand til at yde.

Det ifølge opfindelsen korrigerede lokale ur kan også tjene som referenceur for radionavigationsmodtagere gennem satellit, især for anlæggene TRANSIT eller NAVSTAR/GPS.

Claims (15)

1. Fremgangsmåde ved kompensation af et lokalt ur og 5 omfattende: - ved hjælp af et modtagekredsløb (2) modtages mindst ét udsendt signal (Fq, F1 eller F2) i form af et firkantsignal fra mindst én sender, som styres af et høj- 10 præcisionsur; - ved hjælp af et synkroniseringskredsløb (4) skabes i det mindste tilnærmelsesvis synkronisering med de udsendte firkantsignaler fra senderen; 15 - med et komparatorkredsløb (1) samples det udsendte signal med en samplingsfrekvens (F^), som er et submulti-plum af det lokale urs (3) frekvens (F), hvorfra der uddrages en sammenligning mellem det lokale urs frekvens og 20 det udsendte signals frekvens; - ved hjælp af et korrektionskredsløb (5) korrigeres frekvensen af det lokale ur (3) som funktion af sammenligningen, 25 hvor samplingfrekvensen (F^) defineres ved division af urets frekvens og nominelt er lig med det udsendte signals frekvens eller et submultiplum deraf, hvor flere forskellige udsendte frekvenser modtages i form af 30 firkantsignaler fra mindst én sender, og når samplingfrekvensen (F^) er et fælles submultiplum af de udsendte frekvenser (Fq, F^, F2), kendetegnet ved, at der ved slutningen af 35 samplingoperationen opnås impulspar (aQ, a^r b1; a2, b^), hvis repetitionsfrekvens svarer til samplingfrekvensen (Fj) for at danne en sample (aQ, a^, a2) og en DK 161265 B 90° faseforskudt sample (bQ, b1, b2> for en given frekvens (henholdsvis Fq, F1 eller F2), og ved at tidsforskydningen mellem samplingfrekvensen (Fg) og mindst én frekvens af mindst ét af de udsendte signaler (FQ, F^ 5 eller F2) beregnes periodisk.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at sammenligningskredsløbet (1) er indrettet til at udføre mindst én beregning af tidsforskydningens hældning 10. middel over et givet interval for mindst én given frekvens og en given sender.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at modtagerkredsløbet (2) er indrettet til at modta- 15 ge udsendte signaler fra OMEGA-systernet, og at sammenligningskredsløbet (1) er indrettet til at udføre nævnte beregninger over nyttige transmissionsbånd af firkantsignaler af OMEGA-formater.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at sammenligningskredsløbet (1) er indrettet til at frembringe mindst én beregning af tidsforskydningens hældning i middel over en given periode for en given frekvens og et antal sendere ved sammenligning af de rela-25 tive forskydninger mellem de modtagne signaler fra forskellige sendere.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at sammenligningskredsløbet (1) er indrettet til at 30 frembringe et antal af nævnte beregninger af tidsforskydningens hældning i middel over en given periode, hver for en given frekvens ved et antal sendere, og til at beregne hældningernes middelværdi, hvorved sammenligningen dannes. 35

6. Fremgangsmåde ifølge krav 3-5, kendetegnet ved, at synkroniseringen sikres ved beregning med et DK 161265 B givet inddelingsskridt af den summerede kvalitet over et foregående interval af størrelsesordenen 625 ms og akkumuleret modulo 1,25 s, og ved bestemmelse af det øjeblik, hvor den akkumulerede kvalitet er maximal, for at skabe 5 synkronisation over de nævnte brugbare områder.

7. Apparat til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 1-6, kendetegnet ved, at korrektionen sikres ved hjælp af et korrektionskredsløb (5) omfattende en regu-10 lator (R) med integralvirkning, og som modtager et signal fra sammenligningskredsløbet og indvirker på styrespændingen fra et styrekredsløb (CO) i uret, som skal kompenseres.

8. Apparat til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 2- 6, kendetegnet ved, at sammenligningen udføres i et sammenligningskredsløb (1) som modtage signaler fra et samplingkredsløb (CE) efter digitalisering (NUM), at samplingkredsløbet (CE) modtager signaler (F) fra en 20 tidsbasis (BT), som opdeler impulserne fra uret (CO), som skal kompenseres, i et givet forhold, og at sammenligningskredsløbet er indrettet til at ændre opdelingsforholdet for tidsbasen på en måde, så at der kompenseres for driften. 25

9. Anvendelse af et apparat ifølge krav 7-8 i et radionavigationsapparat til fastlæggelse af et bevægeligt objekts position.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 1-6 anvendt i et radionavi gationsapparat til fastlæggelse af et bevægeligt objekts position, kendetegnet ved, at korrektionen af det lokale urs frekvens sikres ved den periodiske beregning af repetitionsperioden af den absolutte tid (T), som 35 er forløbet siden et givet nulpunkt, ud fra beregningerne af de relative faser mellem transmissionerne af mindst én frekvens fra forskellige stationer og fra frekvensen af DK 161265 B det lokale ur, og således ved kompensation af fasen af det frekvenskompenserede lokale ur.

11. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet 5 ved, at den periodiske beregning af den absolutte tid udføres ved følgende operationer sammenbladet med frekvenskorrektionen af det lokale ur for mindst én frekvens og flere stationer: 10 a) indsamling af samples af de modtagne signaler, b) beregning af faserne (*kJ) af de modtagne signaler i forhold til det kompenserede, lokale ur, 15 c) beregning af fasehældningerne af de modtagne signaler (d*kj/dt), d) beregning af et antal cykler modtager fra stationerne i forhold til en imaginær tyngdepunktsstation (Xkj), 20 e) beregning af det lokale urs frekvens (H) og antallet af cykler fra tyngdepunktsstationen (X^j), og f) beregning af den absolutte tid (T). 25

12. Fremgangsmåde ifølge krav 10-11, kendetegnet ved, at korrektionen sikres ved den periodiske beregning af den absolutte tid med en vægtning af faserne for transmissionerne af samme frekvens (F^i) fra for- 30 skellige stationer (k).

13. Fremgangsmåde ifølge krav 11, kendetegnet ved, at vægtningen indfører kvaliteten af de modtagne transmissioner. 35

14. Fremgangsmåde ifølge de kombinerede krav 11-13, kendetegnet ved, at DK 161265 8 - trin b) endvidere for i det mindste én given frekvens omfatter beregning af varianterne (rfcj) af transmissionerne, som hver svarer til en frekvens (Fj) fra forskellige sendere (k) midlet over det tilsvarende firkantsignal, 5 og at - trin c) endvidere omfatter beregning af kvaliteterne (a^j ) svarende til varianterne (r^j) og til summen (aj ) over de forskellige sendere (k) af varianter («kJ) sva- 10 rende til en frekvens (Fj) for at udføre nævnte vægtning.

15 20 25 35