NO177944B

NO177944B - Navigasjons- og fölgesystem

Info

Publication number: NO177944B
Application number: NO900632A
Authority: NO
Inventors: Peter James Duffet-Smith
Original assignee: Lynxvale Ltd; Duffett Smith Peter James; Cambridge Res & Innovation; Cambridge Capital Management
Priority date: 1987-08-10
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1995-09-11
Also published as: CA1314964C; DE3879032T2; JPH02504673A; US5045861A; DK174254B1; DK34690A; EP0303371B1; NO900632L; WO1989001637A1; NO177944C; EP0303371A1; BR8807655A; DK34690D0; DE3879032D1; HK38994A; ES2038758T3; EP0377592A1; NO900632D0

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et navigasjons- og følgesystem som benytter radio eller andre kringkastings-utsendelser.

Et navigasjonssystem er et middel til å bestemme posisjonen til en navigatør, enten av navigatøren selv eller på et annet sted hvorfra informasjonen blir videresendt til naviga-tøren eller blir brukt til å dirigere denne. Et følgesystem er et middel til å bestemme posisjonen av et fjerntliggende, vandrende punkt ved en eller flere basisstasjoner, idet de koordinater som definerer posisjonen av det vandrende punkt kontinuerlig er tilgjengelige ved basisstasjonen eller hver basisstasjon. Det finnes mange forskjellige systemer.

Det er for eksempel kjent konvensjonelle radionaviga-sjonssystemer som bruker signalene fra to eller flere par med spesielle radiosendere og som faller i to tydelige kategorier: (1) som benytter tidsreferanse, og (2) som benytter fase-referanse.

Systemene i den første kategori omfatter LORAN-C som settes opp av kystvakten i USA. Radioutsendelsene har form av radiopulser hvis ankomsttider ved det bevegelige punkt kan måles nøyaktig. Navigatøren benytter en spesiell mottaker til å bestemme tidsdifferansen mellom mottagelsen av pulser fra hver av et par slike sendere. Denne informasjonen definerer en kurve som han må befinne seg på, og langs hvilken kurve alle punkter har den samme avstandsforskjell fra de to senderne. Navigatøren måler så tidsdifferansen mellom mottagelsen av pulser fra et annet lignende par med sendere. Informasjonen definerer en annen kurve og skjæringspunktet mellom de to kurvene er navigatørens posisjon. Vanligvis er der mer enn ett skjæringspunkt, men navigatøren vet vanligvis omtrent hvor han er og kan velge det korrekte punktet, eller han kan benytte signaler fra et tredje par med sendere til å bestemme sin

posisjon entydig.

Systemer i den annen kategori omfatter Decca-navigasjonssystemet. I slike systemer er radioutsendelsene fra et par med sendere koherente med hverandre, d.v.s. at de opprettholder et forutsigbart faseforhold til alle tider. I det enkleste tilfelle kan de være kontinuerlige, sinusformede utsendelser av nøyaktig samme frekvens. Utsendelsene danner da et interferens- eller "frynse11-mønster hvor kurver med minimums- og maksimums-intensitet kan identifiseres. Naviga-tøren måler intensitetsfluktuasjonen etterhvert som han beveger seg omkring. Han måler også intensitet-fluktuasjonene til signaler fra et annet par med koherente signalsendere. Hvis han kjenner sin posisjon til å begynne med, kan han bestemme sin posisjon på ethvert tidspunkt etterpå ved å telle antall frynser i hvert par som han har krysset for derved å fastslå et skjæringspunkt mellom frynsene og dermed sin posisjon innenfor de frynsemønstre som skjærer hverandre. Et lignende system er beskrevet i US patent nr. 3 889 264 som viser bruk av et par sendere til å skape flere gittere av hyperbolske isofase-linjer, hvor to eller flere par er nødven-dig for følgeformål.

Andre systemer beror på signaler som utsendes av et vandrende objekt hvis posisjon skal måles. US patent nr. 4 651 156 beskriver et system hvor posisjonen til det vandrende objekt blir målt ved å sammenligne fasen til en avstandstone som utsendes av det vandrende objekt, med den som utsendes av en fast sender. I US patent nr. 4 169 245 beskrives et system for å følge en bevegelig sender ved å anslå differansene i ankomsttider for signaler ved to par adskilte mottagere ved å bruke spredningen av frekvenser i forbindelse med modulasjon av sender-bærebølgen.

I US patent nr. 3 774 215 beskrives et system som benytter OMEGA (meget lav frekvens) sendere som sender til et vandrende objekt, mottageren i det vandrende objekt detekterer fasedifferanser mellom et referansesignal og de mottatte utsendelser. Fasedifferanse-data blir sendt til en kommunika-sjonsstasjon hvor de blir analysert i en datamaskin, og posi-sjonsdata som bestemmes der, sendes tilbake til den bevegelige mottager.

I US patent nr. 4 054 880 beskrives bruken av tre sendere hvis faser sammenlignes med et referansesignal fra en lokal oscillator, målte fasedifferanse-data blir overført til en sentralt stasjon for korrigering av fasedriv i senderne og referanse-oscillatorene.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å overvinne problemer ved de tidligere kjente systemer, spesielt med hensyn til nødvendigheten av utpekte sendere og behovet for å tilveiebringe disse i par.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt et navigasjons- og følgesystem for mottaging av signaler som utsendes av et antall senderkilder som i det minste er lik det antall dimensjoner i hvilke et mobilt objekts bevegelse skal overvåkes. Navigasjons- og følgesystemet kjennetegnes spesielt ved at systemet omfatter et par mottagerstasjoner, av hvilke den første mottagerstasjonen under bruk er ved en kjent posisjon og den annen er anbragt på det mobile objekt; videre en anordning for overføring av et forbindelsessignal fra en av mottagerstasjonene til den andre av mottagerstasjonene, idet forbindelsessignalet inneholder informasjon om de utsendte signalene som mottas ved den ene mottagerstasjon,. fra hvilken informasjon faseforskjellen eller tidsforsinkelsen mellom de respektive signaler mottatt fra senderkildene ved mottager-stas j onene kan bestemmes; samt anordninger ved den andre av mottagerstasjonene for å sammenligne den informasjon som er mottatt fra den ene mottagerstasjonen, med informasjon om de respektive signaler som mottas direkte fra de respektive senderkilder, og for å bestemme faseforskjellen eller tidsforsinkelsen mellom de respektive utsendte signaler mottatt ved begge mottagerstasjoner og dermed endringen i faseforskjell eller tidsforsinkelse for signalene, for å bestemme posisjons-endringen eller posisjonen til det mobile objekt.

Når fasedifferanser måles, er posisjonen til det vandrende objekt ikke "absolutt" bestemt, men bare i forhold til en kjent startposisjon. Videre må fasene overvåkes kontinuerlig slik at de kan følges gjennom tvetydige perioder på 360°. Hver feil på en periode innfører en posisjonsfeil som minst er så stor som en bølgelengde. En spesiell fordel ved det be-skrevne systemet er at de senderne som brukes, kan ha hvilke som helst spektral-karakteristikker forutsatt at signalene er kontinuerlige (i den forstand at der ikke er noen lange mellomrom - pulsede utsendelser er tillatt hvis repetisjonshas-tigheten er høy nok). Kontinuerlige, umodulerte bølgeutsend-elser vil derfor være tilstrekkelig. I prinsippet er det nødvendig med to sendere for navigasjon og følging over et plan, men i praksis er det nødvendig med tre siden den ukjente og variable forskyvning mellom referanse-oscillatorene ved mottagerstasjonene også må måles.

Når signalene fra senderne er modulert, vil frekvens-spredningen innenfor modulasjonens båndbredde gjøre det mulig å bestemme og bruke tidsforsinkelser mellom de utsendte signaler som mottas ved de to mottagerstasjonene, istedenfor eller i tillegg til fasedifferanse-målinger.

Hvis systemet hovedsaklig er et navigasjonssystem, så vil sammenlignings- og posisjonsbestemmelses-anordningene fortrinnsvis være anbrakt i mottagerstasjonen på det vandrende objekt, men hvis de er plassert ved basis-stasjonen, så kan posisjonen til det vandrende objekt signaleres tilbake til dette. Hvis systemet hovedsaklig er et følgesystem, så er tilbakesignaleringen av det vandrende objekts posisjon til mottagerstasjonen på det vandrende objekt, ikke nødvendig.

Selv om senderkildene fortrinnsvis er radiokilder, spesielt når systemet skal brukes til å følge kjøretøyer, kan utsendelser ved enhver frekvens tenkes ved å bruke bølger av enhver type, slik som lydsignaler som kan brukes i for eksempel laboratorie-systemer.

I et landbasert system for å bestemme posisjonen over et bestemt område av jordens overflate vil det være nødvendig med minst to sendekilder, men systemet kan brukes til å bestemme den avstand et objekt har beveget seg, hvis det er begrenset til å bevege seg langs en fast bane, og i så fall kan det være tilstrekkelig med en enkelt senderkilde.

Når det benyttes målinger av fasedifferanser, omformer fortrinnsvis de to mottagerstasjonene de signaler, som mottas til basisbånd-signaler ved bruk av lokal-oscillatorer som er faselåst til lokale frekvens-standarder eller referansoscilla-torer, og basisbånd-signaler fra en av mottagerstasjonene blir overført til den annen. I dette tilfellet er det en fordel hvis systemene omfatter en ytterligere senderkilde for måling av driften til referanse-oscillatorene eller frekvens-stan-dardene, men et alternativ er å låse referanseoscillatorene til hverandre ved å bruke overføringsforbindelsen mellom de to mottager-stasj onene.

Systemet kan også omfatte selve senderkildene, men siden det ikke behøver å være noe spesielt faseforhold mellom dem, kan de kildene som brukes av systemet være hvilke som helst eksisterende radiosendere.

Systemet ifølge oppfinnelsen adskiller seg fra konvensjonelle systemer av den type som er beskrevet ovenfor i inn-ledningen, ved at (i) en enkelt sender eller sendere blir brukt istedenfor senderpar, (ii) signalene blir mottatt ved to punkter istendenfor ett, (iii) signalene som mottas ved et punkt, blir videresendt til det annet, og sammenlignes derfor for å bestemme deres fase- eller tidsforsinkelses-differanse, (iv) radiosendere av nesten enhver type kan brukes til dette formål forutsatt at deres posisjoner er kjent.

Tidsforsinkelses-målinger kan for eksempel benytte amplitude-modulerte signaler i lang-, mellom-, eller kort-bølgebåndene som vanligvis hver opptar bånd på omkring 10 kHz, frekvensmodulerte VHF-utsendelser som har bredder på omkring 150 kHz, eller TV-signaler i UHF-båndet som opptar flere megahertz hver. Tidsforsinkelsene mellom signalenes ankomster ved de to mottagerstasjonene fra en modulert sender, kan måles med en nøyaktighet som står i omvendt forhold til båndbredden (når alle andre ting er like). Tidsforsinkelsene er utvety-dige størrelser i den forstand at det ikke finnes noen gjen-tagelser på 3 60° som det er ved bestemmelse av fasedifferanser, og dermed kan de målte tidsforsinkelser brukes til å bestemme posisjonen av det vandrende objekt uten referanse til en startposisjon.

I hvert system kan det være fordeler ved å anbringe den ikke-bevegelige mottagerstasjon (basis-stasjonen) ved den samme posisjon som en av senderne. Dette er særlig tilfelle når systemet brukes til navigasjon istedenfor følging, og korrelasjon og behandling vil fortrinnsvis finne sted på det vandrende objekt, idet forbindelsen blir tilveiebrakt i retning fra basis-stasjonen til det vandrende objekt. Hvis basis-stasjonen som overfører forbindelses-signalene til det vandrende objekt, har et allrettet utstrålingsmønster, så kan ethvert antall separate vandrende objekter benytte de samme forbindelsessignaler. Dette er ekvivalent med å sette inn for eksempel c = 0 i ligning 1C nedenfor.

Uansett om basis-stasjonen er ved samme posisjon som en av senderne, kan i tillegg utsendelsene fra senderne brukes til å forsyne forbindelsen, ved hjelp av passende modifika-sjon, i for eksempel et system hvor basisstasjonen mottar signalene fra alle tre senderne og blander dem til basisbånd, og innfører dem i modulasjonen av utsendelsene fra den sender hvor den er plassert. Det kan være mulig å gjøre dette uten å forstyrre den normale bruk av utsendelsene; for eksempel når senderen er en FM-frekvensomformer for kringskasting, kan forbindelsessignalene innføres mellom sidebåndsignalene, slik at normal mottagelse av FM-signalene ikke vil bli påvirket, men mottageren på det bevegelige objekt eller hvert bevegelig objekt er i stand til å trekke ut forbindelses-signalene fra modulasjonen og bruke dem til å måle fasene eller tidsforsinkelsene som beskrevet foran.

I visse anvendelser kan det også være fordelaktig å bruke den samme referanseoscillator for senderen og basisstasjonen som er anbrakt på samme sted. Det kan også være fordeler ved å modifisere hver sender på den måte som er beskrevet i foregående avsnitt. I det tilfellet har hver bevegelig mottagerstasjon da en forbindelse innbygd til hver utsendelse den mottar, noe som gir betydelig redundans i systemet og dermed øket feilfrihet. Når systemet brukes til å følge posisjonen til et vandrende objekt, kan det også være fordeler å bruke forbindelses-senderen på det vandrende objekt som en av de tre trianguleringssenderne. Det vandrende objekt mottar dermed utsendelser fra to uavhengige, faste sendere og sender basisbånd-representasjoner av deres signaler over forbindelsen. Basisstasjonen mottar også signaler fra de to faste senderne, men måler i tillegg selve forbindelsessignalene som om de hadde kommet fra den tredje faste sender. Dette er ekvivalent med å sette for eksempel c = r i ligning 1C nedenfor, og det er også ekvivalent med å bruke forbindelsen til å låse lokaloscillatorene.

I de eksemplene som er gitt nedenfor blir det brukt konvensjonelle VHF-sendere for kringkasting, men naturlig opptredende sendekilder, slik som radiostjerner, kan også brukes, spesielt for navigasjon i verdensrommet.

To eksempler på systemet som illustrerer prinsippene ved oppfinnelsen og ett eksempel av et prototype-system som er konstruert i forbindelse med oppfinnelsen, vil nå bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. l viser et typisk arrangement av sendere og mottager- punkter; Fig. 2 illustrerer hvordan signalene som mottas fra senderne, blir behandlet; Fig. 3 viser et arrangement for måling av fasedifferansen mellom de to signalene; Fig. 4 er et vektordiagram over systemet; Fig. 5 illustrerer et arrangement for å bestemme tidsfor sinkelser; Fig. 6 illustrerer bruken av en interpolerings-funksjon for å bestemme tidsforskyvninger; Fig. 7 og 8 illustrerer henholdsvis en mobil mottagerenhet og en mottagerenhet i en basisstasjon ifølge en prototype ; Fig. 9 illustrerer et korrelerings/datamaskin-system for analyse av signalene som mottas av den bevegelige mottagerenhet og mottagerenheten i basisstasjonen; Fig. 10A og 10B illustrerer ved hjelp av flytskjemaer den signalbehandling som finner sted i datamaskinen i basis-stasjonen for å bestemme banen til den vandrende mottager;

Fig. 11 viser en plotting av en bane for en mobilenhet.

De spesielle systemer som vises, er landbaserte systemer og beror på bruk av sendere A og B og fortrinnsvis en tredje sender C.

Det første eksemplet vedrører et system hvor fasedifferanser blir brukt til å følge posisjonen av en mottager.

Signalene fra senderen A blir mottatt ved en basisstasjon D (som befinner seg i en kjent avstand 1^ fra senderen A) og et vandrende punkt E hvis posisjon skal følges eller bestemmes (og som er i en ukjent avstand 1AE fra A) . Mottagerne omformer de innkomne signaler, som er innenfor et mottagerbånd av endelig båndbredde, til basisbånd (se nedenfor) og de fra det vandrende punkt E ble så videresendt til basis-stasjonen D ved hjelp av en forbindelse F. Denne forbindelsen F kan for eksempel være i form av en utpekt telekommunikasjons-forbindelse eller en ikke-utpekt slik som et mobiltelefon-nett. I basis-stasjonen D blir signalene som er mottatt direkte fra A, sammenlignet med de som er mottatt ved E for å bestemme deres fasedifferanse PA. Fasedifferansen PA målt i grader, er lik verdien:

hvor <1>AD er som før, 1AE er avstanden fra A til E, XA er bølgelengden midt i mottagerbåndet, og n er et helt tall. Denne prosessen for å bestemme PA omfatter multiplikasjon, gjennomsnittsberegning og matematisk analyse (se nedenfor). Den målte fasedifferanse kan omformes direkte til en veilengde-differanse (modulo en bølgelengde), ettersom den midtre bølgelengde XA i de utsendelser som mottas fra A, kan bestemmes på enhver konvensjonell måte.

Fordi veilengde-dif f eransen (1ad~<1>ae) ^an bestemmes og ettersom 1M er kjent, kan nå mulige verdier av avstanden 1^, beregnes. E ligger således på en av et antall kuleskall (i et bakkebasert system kan disse betraktes som sirkler) med radius i ad ~ PA-n.XA/360.

Signalene som mottas ved D og E fra senderen D (i et bånd hvis sentral-bølgelengde er forskjellig fra den for A), blir behandlet på samme måte for å bestemme deres fasedifferanse

PB, og dette definerer et annet sett med sirkler med radius 1BD - PB.m.XB/360 sentrert på B og på en av hvilke E også må ligge, m er et helt tall og XB er senterbølgelengden for utsendelsene som mottas fra B. Posisjonen til E er da ett av skjærings-punktene mellom to sirkler, en sentret på A og en på B.

For å bestemme posisjonen til E entydig, begynner følge-eller navigasjons-prosessen med kalibrering. Det bevegelige punkt E må kjenne sin startposisjon i forhold til basis-stasjonen D siden den ovenfor skisserte prosedyre tilveiebringer et tvetydig resultat, både fordi (i) det er to skjærings-punkter mellom hvert par av sirkler, og (ii) fasedifferansene PA og PB bestemmer radiene til sirklene modulo en bølgelengde og ikke entydig. PA og PB kan innledningsvis være hvilke som helst verdier og er fortrinnsvis satt til null ved for eksempel å starte E ved D. Etterhvert som det bevegelige punkt E deretter beveger seg vekk fra startposisjonen ved D, blir verdiene av P og PB kontinuerlig overvåket, og deres verdier til enhver tid definerer den aktuelle posisjon av E entydig.

Anta for eksempel at utsendelsene fra A og B begge er sentrert på bølgelengder nær 3 meter. Til å begynne med er PA og PB begge null (det bevegelige objekt er ved basis-stasjonen) , og etter en viss bevegelse av E kan de ha verdiene 1620° og - 3240° respektive, noe som svarer til avstandsfor-skjeller på 13,5 og -27 meter. Vi vet dermed at E har beveget seg fra sin (kjente) startposisjon på en slik måte at det øker sin avstand fra A med 13,5 meter, og minsker sin avstand fra B med 27 meter. Dets nye posisjon er derfor bestemt.

Under bevegelse av E må fasene overvåkes tilstrekkelig ofte til å sikre at ingen endringer på mer enn 180° inntreffer mellom et signalsampel og neste. Hvis det inntreffer av-brytelse, enten i utsendelsene fra A og D eller i forbindelsen F, kan de øyeblikkelige historiene til fasene brukes til å interpolere under avbrytelsen eller en feilkorrigerende sende-protokoll kan benyttes for å overvinne problemet hvis feilen er i overføringsforbindelsen. Ellers resulterer hver fase på 360° som innføres og det ikke tas hensyn til, i en posisjonsfeil på minst en bølgelengde (tre meter i dette eksempelet).

Prosessen med signalomforming til basisbånd ved DE er illustrert på figur 2. Signalene som mottas fra A ved hjelp av antennene G og H, blir multiplisert i blandere I og J med sinus-signaler generert av lokaloscillatorer K og L. Basisbånd-produkter blir matet ut ved P og M. De fra den vandrende stasjon blir så overført til basisstasjonen via forbindelsen F ved å bruke senderen N og mottageren 0, og opptrer ved Q. Signalene ved P og Q kan sammenlignes (se nedenfor) for å bestemme deres fasedifferanse. Dette vil avspeile bevegelsen av E som beskrevet ovenfor.

Signalene som mottas fra B, blir behandlet på samme måte ved å bruke et annet sett blandere og lokaloscillatorer (ikke vist).

Det er en kombinasjon av blander og lokaloscillator for hver sender som skal overvåkes. Alle lokaloscillatorene ved hver stasjon er faselåst til felles referanseoscillatorer W og X. Ettersom teknologien imidlertid ennå ikke er utviklet tilstrekkelig for konstruksjon av referanseoscillatorer W og X med tilstrekkelig høy stabilitet, vil enhver drift i en av eller begges frekvenser resultere i en tilsvarende endring i den beregnede fasedifferanse mellom P og Q. Dermed kan det synes som om E er i bevegelse når objektet i virkeligheten er stasjonært.

Dette problemet kan overvinnes ved å bruke en tredje sender C (figur 1). Dens signaler blir mottatt ved D og E og blir brukt til å korrigere drift i differanseoscillatorene W og X. I virkeligheten er referanseoscillatorene begge låst til C. Hvis frekvensen til C varierer, spiller det ingen rolle siden begge referanseoscillatorene W og X blir korrigert med samme størrelse og deres frekvensdifferanse forblir null.

Legg merke til at (den foranderlige) banen til forbindelsen F ikke har noen særlig innvirkning på fasedifferansen ettersom signalene blir omformet til basisbånd (nær null frekvens) før overføring over forbindelsen. Bruk av et over-føringssystem med dobbelt sidebånd gir videre immunitet over-for feil av denne type. Et alternativ er å låse en referanseoscillator til den annen ved å bruke overføringsforbindelsen

F.

I praksis blir signalene fra A, B og C alle behandlet på nøyaktig samme måte for å frembringe fasene PA, PB og Pc. Tre ikke-lineære ligninger som omfatter de to ukjente koordinatene til E og den ukjente fasedriften av W i forhold til X, kan så løses for å bestemme de ukjente størrelser. Dette vil fremgå av det følgende som bør leses i forbindelse med figur 4.

Hvis A, B og C er ved vektorposisjoner a, b og c i forhold til basis-stasjonen D, og det vandrende objekt er ved en vektorposisjon r, og hvis de tre sender-stasjonene arbeider ved senterbølgelengder på XA, XB og Xc, så kan etter hvert som PA, PB og Pc bli målt, r og P0 (den varierende fasedifferanse mellom referanseoscillatorene W og X) bestemmes fra følgende ligninger:

hvor:

<2a = *a<p>a/360' % = ^B<p>B/360' 5c <=><X>cPc/360, og qQ<=><X>APQ/360.

Fasedifferansen mellom signalene som mottas av D og E, kan måles ved å bruke en fremgangsmåte i likhet med den som er illustrert på figur 3. Signalene P og Q, som kan ha betyde-lige båndbredder, blir multiplisert i en multipliserer R. Denne kan for eksempel være en digital korrelator eller en lineær multipliserer. To produkter i fasekvadratur blir matet ut og midlet i lavpassfilteret S og T. Det skal bemerkes at i praksis kan det være enklere å frembringe to signaler, P og P', ved hjelp av blanding med separate oscillatorer i fasekvadratur før korrelering med Q i to separate multipliserere R og R' for å frembringe fasekvadratur-produkter S og T. Vi kan hensiktsmessig tenke på disse midlede produkter som "sinus" og "cosinus". En datamaskin U utfører den matematiske prosess

med å ta den inverse tangens av brøken sinus/cosinus, som gir fasedifferanse-utgangen ved V. Denne vil alltid bli tilbake-

ført i området - 180 til + 180°, og dermed er det nødvendig å sample tilstrekkelig ofte til å sikre at endringen mellom påfølgende verdier er mindre enn 180°.

Eksempelet ovenfor vedrører det todimensjonale tilfelle hvor senderne, basisstasjonen og det bevegelige objekt alle ligger omtrent i ett plan (d.v.s. jordens overflate over tilstrekkelig små områder). Med perfekte referanseoscillatorer vil to sendere være tilstrekkelig til å bestemme posisjonen av det vandrende objekt i forhold til dets startpunkt; i praksis er det nødvendig med tre som forklart ovenfor. Større nøyaktighet og frihet fra avbrudd kan oppnås ved å bruke mer enn dette antallet. Den samme teknikken kan an-vendes på det tredimensjonale tilfellet (for eksempel navigasjon i rommet) når et teoretisk minimum på tre sendere, men fire i praksis, må brukes.

Det annet eksempel vedrører et system som bruker tidsforsinkelses-målinger for å følge posisjonen til en mottager.

Hvis tidsforskjellen mellom signalene som mottas ved basis-stasjonen D direkte fra senderen A og via den vandrende stasjon E, blir bestemt som tA og hvis forsinkelsen mellom signalene som mottas ved basisstasjonen D direkte fra senderen B og via den vandrende stasjon E, er tB, så kan to ikke-lineære ligninger løses straks disse størrelsene er blitt målt for å bestemme de ukjente koordinatene til den vandrende stasjon E. Dette vil fremgå av det følgende som bør leses i forbindelse med figur 4.

Hvis A og B er ved vektorposisjoner a og b i forhold til basis-stasjonen D og den bevegelige stasjon er ved vektor-posisjonen r, så kan r, hvis tA og tB måles, finnes av lig-

ningene

hvor c representerer lyshastigheten.

Det skal spesielt bemerkes at posisjonen til det vandrende objekt nå kan bestemmes entydig uten referanse til en kjent startposisjon, slik at i det minste i prinsippet kan fremgangsmåten brukes til å finne startposisjonen for påfølgende fasefølging.

Tidsforsinkelser kan måles ved ethvert i tiden uten referanse til tidligere måling og følging er ikke nødvendig.

Videre er det sannsynlig at senderne har et bredt område med spektralkarakteristikker, men de må være modulert ettersom kontinuerlige, umodulerte bølgeutsendelser ikke gir tidsforsinkelses-informasjon. Signalene må ikke være kontinuerlige, og jo bredere båndbredde på utsendelsene, jo mer nøyaktig kan tidsforsinkelsen måles. Hvis der er mer enn en uavhengig sender ved samme sendersted, kan den totale båndbredde som opptas av utsendelsene, brukes som om signalene alle kom fra en kilde.

I fremgangsmåten ved måling av tidsforsinkelser som beskrives nedenfor, brukes den maksimale båndbredde til å oppnå den høyeste nøyaktighet.

I praksis er det nødvendig med to sendere for navigasjon og følging over et plan, som beskrevet tidligere, idet forskyvningen mellom oscillatorene ved to mottagerstasjoner er nesten uten betydning. Hvis imidlertid tre stasjoner blir overvåket, for fasefølgings-formål for større nøyaktighet, så kan nøyaktigheten av posisjonen som bestemmes ut fra tidsforsinkelser alene, forbedres ved hjelp av gjennomsnittsberegning eller midling. Den nøyaktighet en posisjon kan bestemmes med ved i praksis å bruke tidsforsinkelser, vil være underlegen den som bestemmes ved hjelp av fasefølging med minst en stør-relsesorden.

Det vises nå til figur 5 hvor basisbånd-signalene P, P' og Q blir trukket ut som beskrevet i det første eksempel (figur 2, det skal bemerkes at i praksis omfatter P som tidligere referert, to signaler [nå P og P'] som er blitt blandet ved hjelp av separate oscillatorer i fasekvadratur) og er digitalisert i en bits digitaliserings-anordninger a, b og b' og utgangene fra digitaliseringsanordningene er digitale representasjoner av de analoge inngangs-signaler. Samplings-intervallet for digitalisering bør være mindre enn halvparten av den inverse båndbredden BW til radiosignalene, d.v.s. ts <

(2BW)-<1> (Nyquist-kriteriet) for at minst mulig informasjon skal tapes i samplingsprosessen. Bitstrømmene fra a, b og b' blir

forsinket i skiftregisteret c, d og d'. Registeret c har parallelle utganger e som hver svarer til en forsinkelse på en ts-enhet. Skiftregistrene d og d' har hver en utgang som svarer til halvparten som svarer til den maksimale forsinkelse fra c, slik at utgangene fra d og d' i tid tilsvarer utgangen fra e som er halvveis langs registeret c, under antagelse av at der ikke er noen ytterligere forsinkelse mellom signalene. Hver av utgangene e blir korrelert (eksklusiv eller operasjoner) med strømmene fra d og d', idet to slike korrelasjoner er vist ved f og f. Korrelatoren X har to utganger svarende til korrelasjoner i fasekvadratur. Disse blir integrert i de digitale lavpass-filtere g og h og resultatene før til en datamaskin U.

Datamaskinen U mottar parallelle korrelasjoner som ovenfor, svarende til trinn i forsinkelsen mellom de to signalene i ts-enheter. En plotting av amplituden til krysskorrela-sjons-funksjonen som funksjon av tidsforsinkelsen, kan for eksempel være som vist på figur 6. De store punktene representerer de antall som leveres til datamaskinen, og det kan klart sees at korrelasjonen er størst når den totale tidsfor-skyvning mellom datastrømmene er null. På figur 6 tilsvarer dette en tidsforsinkelse på ts + T.

Det er usannsynlig at noen av de diskrete forsinkelses-trinn som i virkeligheten måles, vil ligge nøyaktig på toppen av den nødvendige forsinkelse. Isteden må datamaskinen til-passe en interpolasjonsfunksjon (kurve vist på figur 6) til de målte punkter for å bestemme den ytterligere forskyvning T. Den nøyaktighet med hvilken toppen av interpolasjonsfunksjonen kan finnes, begrenser fremgangsmåtens nøyaktighet. Interpola-sjonsf unksjonen kan beregnes eller måles ut fra de mottatte signaler. Figurene 7 til 10 illustrerer forskjellige komponenter og trekk ved et prototype-system som omfatter en mobil enhet 1 og en basis-stasjon 2. Figur 7 viser en mottager 100 i en mobil eller vandrende enhet, som har en mottagerantenne 101 som mottar signaler fra tre FM-sendere (A, B, C for eksempel, se figur 1). En treveis splittekrets 102 leverer signalene fra antennen til tre hoved-sakelig identiske mottagere 103A, 103B, 103c, hver av hvilke er avstemt for å motta signalene fra en av senderne. I dette eksempelet er mottagerne 103A, 103B, 103c vist avstemt for å motta signaler FA, FB, Fc på henholdsvis 96 MHz, 92,3 MHz og 89,7 MHz, noe som svarer til de nominelle senterfrekvensene for tre FM-sendere i øst-england. Passende mottagere er Sony ICF 2001D.

Hver av mottagerne er faselåst til en hovedreferanse-oscillator 104 via en lokaloscillator 105 for frekvens-syn-tese, idet hovedoscillatoren for eksempel er en høystabil krystalloscillator eller en rubidium frekvens-standard. I eksempelet mater hovedoscillatoren ut et 10 MHz signal og den faselåste lokaloscillatoren har en utgangsfrekvens på 6,274 MHz. Mottagerne avgir signaler ved en mellomfrekvens, i dette tilfellet 10,7 MHz, til en treveis kombineringskrets 106, og det kombinerte signalet blir blandet til basisbånd en blader 107 under bruk av en annen lokaloscillator 105' ved 10,7015 MHz, som også er faselåst til hovedreferanse-oscillatoren 104. Basisbånd-signalet som har en tilnærmet båndbredde på 10 KHz, blir ført til en forbindelses-sender 108 som dermed overfører et signal som inneholder representasjoner av de tre mottatte signaler, via en forbindelses-senderantenne 109, til basis-stasjonen 2 (se figur 8) hvor analyse finner sted.

Basis-stasjonen 2 har en mottagerenhet 200 (se figur 8) som i de fleste henseende er identisk med den mobile enheten, idet henvisningstall øket med 100 brukes for like komponenter. Mottagerenheten 2 00 har imidlertid flere blandere 207A, 207B, 207c slik at basisbånd-produktene fra de tre mottagerne blir holdt separate. I tillegg er hovedreferanse-oscillatoren forskjøvet fra den i den mobilé enhetens mottager slik at basisbånd-signalene vA, vB, vc roterer i forhold til basisbånd-signalet vD fra den mobile enheten med omkring 100 Hz, når den mobile enheten er stasjonær.

Basisstasjonen 2 omfatter også en forbindelses-antenne 209 over hvilken signalet fra den mobile enheten 1 blir mottatt i en mottager 210. En fasekorrigerer 211 fjerner de differensielle fasedreininger som innføres av forbindelses-senderen og mottager-kretsene og mater ut basisbånd-signalet vD. Forbindelses-senderen og mottageren kan være en av mange typer, men sender og mottar for eksempel i VHF-båndet. Fasekorrigereren 211 er av passende type for å korrigere for faseresponsen til senderen og mottager-kretsene. Hvis for eksempel faseresponsen var lik den i en RC-forsinkelse, så vil fasekorrigereren ha en RC-forsinkelsesform. I praksis er mer komplekse faseresponser til stede, men de kan korrigeres ved hjelp av konvensjonelle fasekorreksjons-kretser.

For å behandle basisbånd-signalene, har basis-stasjonen 2 en korrelatorseksjon 220 (se figur 9) for å korrelere basis-båndsignalene og en mikroprosessor 230 for å motta korrelator-produktene og generere en fremvisning av posisjonen og følge den mobile enheten.

Korrelatorseksjonen 220 har tre korrelatorer 221A, 221B, 221c for henholdsvis å korrelere basisbånd-signalene vA og vD, vB og vD, og vc og vD. Disse frembringer kvasi-sinusformede utganger ved omkring 100 Hz som avspeiler forskyvningen mellom hovedreferanse-oscillatorene 104, 204. De kvasi-sinusformede utgangene blir ført gjennom identiske lavpassfiltere 222 til faselåse-sløyfer (PLL) 223 hvor "rene" versjoner av kvasi-sinusf ormene blir frembrakt enten som sinus- eller som fir-kant-bølger. Faselåse-sløyfene 223 anvender smale sløyfe-båndbredder på for eksempel mindre enn 1 Hz for å fjerne virkningene av støy i utgangene fra lavpassfilterne 222. Faselåse-sløyfene 224 mottar utgangene fra faselåsesløyfene 223 for å frembringe utganger som er forskjøvet i 90° i forhold til de fra faselåse-sløyfene 223, og disse kan ha bredere båndbredder i størrelsesorden 10 Hz.

Sinus- og cosinus-produktene som frembringes på denne måten, blir matet til sample- og folde-kretser 225 på et konvensjonelt grensesnitt-kort i en mikrodatamaskin 230 som har en mikroprosessor 231 og en taktgiver 232, ved hjelp av hvilken de data som representerer produktene, blir manipulert for å danne en video-utgang som sendes til en visuell fremvis-ningsenhet 233. I prototypen blir fremvisningsenheten brukt til å representere et spor for banen til den mobile enheten som vist på figur 11, idet målestokken kan reguleres under datamaskin-styring til en av et antall ønskede målestokker.

Figur 10A illustrerer i form av et flytskjema hovedele-mentene i datamaskinens operasjoner under programstyring, for å fremvise på fremvisningsenheten 233 en representasjon av sporet til den mobile enheten. Etter at programmet er innført ved trinn SOI, blir taktgiveren 232 og interne databuffere i datamaskinen initialisert i trinn S02 og avbrudds-taktstyring (se beskrivelsen nedenfor) blir satt i gang i trinn S03. I trinn S04 kontrollerer programmet for å se om et flagg (inn-stilt ved hjelp av en separat avbruddsrutine, se figur 10B) er satt eller ikke. Hvis det er det, så er data i det aktuelle buffer gyldig og blir omformet til fase-inkrementer i trinn S05 og trinn S06 blir faseinkrementene addert til totalsummene (for hver av A-, B- og C-kanalene) for å frembringe nye total-summer. Posisjonen til den mobile enheten blir beregnet i trinn S07 og fremvist på fremvisningsenheten 233 i trinn S08. Aktuelt buffer-fullt-flagget blir tilbakestilt i trinn S09 og programmet går i sløyfe tilbake til trinn S04. Hvis flagget for fullt buffer ikke detekteres i trinn S04, så går programmet i sløyfe omkring S04 for ny kontroll.

I forbindelse med flytskjemaet på figur 10A, skal følg-ende bemerkes: (a) flagget for at det aktuelle bufferet er fullt, blir satt av avbruddsrutinen som beskrevet nedenfor i forbindelse med figur 10B. (b) fasedifferansen til hver kanal blir beregnet ved hjelp av forholdet: hvor S og C er verdiene av spenningene fra sinus og cosinus faselåsesløyfene 223, 224. (c) det totale faseforløp siden starten må følges, d.v.s. at den algoritmen som brukes av programmet må føre fasene over hovedområdet -180° til +180°. (d) beregning av aktuelle posisjon skjer ved hjelp av de tre ligningene IA til 1C som er angitt tidligere. Disse kan

løses i programmet ved en hvilken som helst av mange velkjente metoder, idet den her foretrukne metoder å benytte Newton-Raphson-metoden (se "Numerical Recipes, the art of Scientific Computing", av W.H. Press m.fl., Cambrigde University Press 1986) for å beregne den aktuelle posisjonen ved å bruke den tidligere posisjon som startpunkt for iterasjonen.

(e) fasefølgings-algoritmen som brukes for hver kanal, er som følger: Hvis <p er den totale fase som er fulgt så langt, og de nye datasampler er S og C (for henholdsvis sinus og cosinus-kanalene) så er faseinkrementet Aø gitt ved:

og den nye verdien av den sporede eller fulgte fasen er ø + Aø. Så lenge ingen faseinkrementer større enn 180° eller mindre enn -180° inntreffer mellom sampler, vil dette være tilfelle. For at dette skal være tilfelle vises til beskrivelsen nedenfor i forbindelse med avbrudds-tjenesterutinen.

Avbrudds-tjenesterutinen ved hjelp av hvilken data fra sample- og holde-kretsene 225 blir lagret i et av to buffere, og som er vist i flytskjema-form på figur 10B, vil nå bli beskrevet.

Taktgiveren 2 32 som kan tilbakestilles, frembringer avbrudd i arbeidsprogrammet (figur 10A) ved jevne mellomrom (for eksempel 500 pr. sekund) som bestemt i programmet. Ved opptreden av et avbrudd, blir avbruddsrutinen entret (trinn 101) hvoretter takt-giveren 232 blir tilbakestilt (trinn 102). En bufferpeker som peker til adressen i det aktuelle buffer hvor data skal lagres' neste gang, blir inkrementert eller endret (trinn 103) og data blir så lest fra sample- og holde-kretsene 225 (trinn 104) og matet inn i det aktuelle buffer (trinn 105). I trinn 106 kontrollerer rutinen for å se om det aktuelle buffer er fullt, og hvis det er det, settes flagget (trinn 107) som tidligere er nevnt i forbindelse med arbeidsprogrammet. Det bufferlageret som data skal lagres i, blir så endret (trinn 108). Hvis bufferet ikke er fullt eller straks bufferet er blitt endret, blir avbruddene tilbakestilt (trinn 109) og avbruddsrutinen avsluttes (trinn 110), noe som til-later styringen av datamaskinen å vende tilbake til hovedprogrammet (figur 10A).

Det finnes to buffere for å tillate ett å bli skrevet i under en avbruddsrutine, mens det leses fra det andre av hovedprogrammet som er blitt avbrutt. I foreliggende eksempel er bufferstørrelsen og lesehastigheten fra sample- og holde-kretsene valgt slik at hvert buffer fylles på omkring ett sekund, og lesehastigheten er valgt for å sample dataene fullstendig slik at det sikres at ingen faseinkrementer større enn + 180° eller mindre enn -180° blir tatt mellom samplene.

Figur 11 er en utskrift av et spor for et mobilt system som bæres av en mann, og som viser den fulgte bane (i pilens retning). Det kan sees at ved å bruke utstyr ifølge oppfinnelsen, kan et meget nøyaktig spor plottes i sann tid. Uregelmessighetene fra side til side for banen som gås av mannen, skyldes bevegelse av antennen som holdes av vedkom-mende. Det kan sees at oppløsning så god som en halv meter eller mindre kan oppnås i målinger foretatt hvert 0,1 sekund.

Claims

1. Navigasjons- og følgesystem for mottaking av signaler som utsendes av et antall senderkilder (A, B, C) som i det minste er lik det antall dimensjoner i hvilke et mobilt objekts bevegelse skal overvåkes, karakterisert ved at systemet omfatter et par mottakerstasjoner (D, E), av hvilke den første mottakerstasjonen (D) under bruk er ved en kjent posisjon og den annen (E) er anbrakt på det mobile objekt; videre en anordning (F) for overføring av et forbindelsessignal fra en av mottaker-stasjonene (D, E) til den andre av mottaker-stasjonene (E, D), idet forbindelsessignalet inneholder informasjon om de utsendte signalene som mottas ved den ene mottakerstasjon, fra hvilken informasjon faseforskjellen eller tidsforsinkelsen mellom de respektive signaler mottatt fra senderkildene ved mottakerstasjonene kan bestemmes; samt anordninger (R, S, T, U) ved den andre av mottakerstasjonene for å sammenligne den informasjon som er mottatt fra den ene mottakerstasjonen, med informasjon om de respektive signaler som mottas direkte fra de respektive senderkilder, og for å bestemme faseforskjellen eller tidsforsinkelsen mellom de respektive utsendte signaler mottatt ved begge mottaker-stasjoner og dermed endringen i faseforskjell eller tidsforsinkelse for signalene, for å bestemme posisjons-endringen eller posisjonen til det mobile objekt.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at det innbefatter et antall senderkilder som minst er lik det antall dimensjoner i hvilke bevegelse skal overvåkes.

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved at det innbefatter et antall senderkilder som minst er lik det antall dimensjoner i hvilke bevegelse skal overvåkes, pluss en.

4. System ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at utsendelses-signalene er modulert og at faseforskjellen blir bestemt.

5. System ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at utsendelses-signalene er kontinuerlige, umodulerte utsendelser og at faseforskjellen blir bestemt.

6. System ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at utsendelses-signalene er modulerte og at tidsforsinkelsene blir bestemt.

7. System ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at både faseforskjell og tidsforsinkelser blir bestemt.

8. System ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at mottakerstasjonene omformer de mottatte signaler til basisbånd-signaler ved bruk av lokal-oscillatorer som er faselåst til lokale frekvens-standarder eller referanseoscillatorer (K, L), og ved at basisbånd-signalet fra en av mottakerstasjonene blir overført til den andre.

9. System ifølge krav 8, karakterisert ved en ytterligere senderkilde (C) for måling av driften til referanseoscillatorene eller frekvensstandardene (K, L).

10. System ifølge krav 8, karakterisert ved at referanseoscillatorene (K, L) er låst til hverandre ved bruk av overføringsforbin-delsen mellom mottakerstasjonene.

11. System ifølge noen av de foregående krav, karakterisert ved at en ikke-mobil mottakerstasjon (basestasjon) er anbrakt på samme sted som en av senderkildene.

12. System ifølge krav 11, karakterisert ved at forbindelsen er tilveiebrakt i retning fra basestasjonen til det mobile objekt.

13. System ifølge krav 12, karakterisert ved at basestasjonen har et allrettet strålingsmønster, slik at ethvert antall separate mobile objekter kan navigere ved å bruke de samme forbindelses-signaler.

14. System ifølge krav 2 eller krav som er avhengige av dette, karakterisert ved at utsendelses-signalene fra minst en av senderkildene blir brukt for å frembringe forbindelse mellom mottakerstasjonene.

15. System ifølge krav 11, karakterisert ved at den samme referanseoscillator blir brukt for senderkilden og mottakerstasjonen som er anbrakt på samme sted.

16. System ifølge krav 6, karakterisert ved at anordningene for å sammenlikne de signaler som mottas av de flere mottaker-stasjoner, omfatter anordninger (a, b, b') for å digitalisere de omformede signaler, og en anordning (X) for å korrelere de digitaliserte signaler slik at det frembringes punktestimater for krysskorrelasj ons-funksj onen.

17. System ifølge krav 16, karakterisert ved at en interpolerings-funksjon blir tilpasset punktestimatene for krysskorrelasjons-funksjonen for å bestemme tidsforsinkelsen mellom signalene.

18. System ifølge noen av kravene 1 til 17, karakterisert ved at signalene som mottas av hver mottakerstasjon, blir blandet ved hjelp av multipli-sering med et signal fra en respektiv lokaloscillator.

19. System ifølge krav 1, karakterisert ved at hver mottakerstasjon (D, E) har en referanseoscillator, og videre innbefatter en anordning for å utlede et lokalt referansesignal fra referan-seoscillatoren, og en anordning for å generere et signal representativt for forskjellen i frekvens og således forskjellen i fase mellom det lokale referansesignalet og signalet som mottas fra hver av senderkildene, idet det representative signalet som genereres i en av mottaker-stasjonene sendes som forbindelses-signal til den andre mottakerstasjonen.