DE3613226A1

DE3613226A1 - Funkmess-, navigations- und ortungssystem mit korrektur systematischer fehler

Info

Publication number: DE3613226A1
Application number: DE19863613226
Authority: DE
Inventors: Paul K. Euless Tex. Dano
Original assignee: Del Norte Technology Inc
Current assignee: Del Norte Technology Inc
Priority date: 1985-04-18
Filing date: 1986-04-18
Publication date: 1986-10-30
Also published as: GB8601735D0; GB2173967A; US4636795A; GB2173967B; CA1249873A; DK177086A; DK177086D0

Description

11922/A.v.P/Schä/85

DEL NORTE TECHNOLOGY,INC.

1100 PameLa Drive, EuLess, Texas 76039,

V.St.ν.Α.

Funkmeß-, navigations- und Ortungssystem mit Korrektur systematischer FehLer

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Funkmeß-, navigations- und Ortungssysteme und, im speziellen, Systeme zur indirekten Bestimmung von Entfernungen, die nicht direkt gemessen werden können, wobei die Korrektur von systematischen Fehlern vorgesehen ist.

L,/ Funkmeß- und navigationssysteme der beschriebenen Art sind mindestens so alt wie das LORAN-System, das erstmalig um 1950 eingeführt worden ist. Bei dieser Art von Radarsystemen wird ein Leitstation verwendet, die einen Abfrageimpuls an eine entfernt gelegene Transponderstation sendet, die diesen empfängt und daraufhin einen Antwortimpuls sendet. Eine bewegliche Station empfängt den Antwortimpuls, und berechnet eine Position aus dem Zeitintervall, das zwischen der ursprünglichen Sendung des Abfrageimpulses der Leitstation und dem Empfang des Antwortimpulses der Transponderstation verstreicht. Um diese Rechnung durchführen zu können, ist es notwendig, von der insgesamt verstrichenen Zeit diejenige Zeitspanne abzuziehen, die die Transponderstation als Reaktionszeit benötigt, um nach dem Empfang des Abfragesignals das Antwortsignal abzugeben.

Ein Problem besteht darin, daß bei der Berechnung für die Reaktionszeit ein hypothetischer Mittelwert verwendet wird, d.h. eine mathematische Konstante, die korrekt sein kann oder nicht, je nach der einzelnen Transponderstation. Tatsächlich gibt es keine Reaktionszeit, die als reine Konstante angesehen werden könnte. Manche Transponderstationen reagieren schneller, manche langsamer. Daher ist die Reaktionszeit, die bei der Berechnung von der insgesamt verstrichenen Zeit abgezogen wird, nur eine Näherung. Das beschriebene Beispiel der Reaktionszeit stellt nur eine Möglichkeit für systematische Fehler dar. In der Realität gibt es eine Vielzahl von

Quellen für derartige systematische Fehler, wie die Alterung von Bauteilen, zu niedrige Versorgungsspannungen und ähnliches- In Systemen, die zur indirekten Bestimmung von Entfernungen, die nicht direkt gemessen werden können, herangezogen werden, können sich Fehler dieser Art aufsummieren.

Ein System, das in der beschriebenen Weise arbeitet, ist in der US-PS 43 98 198 beschrieben. Ein anderes, jedoch mit einer anderen Codierungsart arbeitendes System ist in der GB-PS 14 86 319 beschrieben.

Als weitere Literatur sei auf das Buch von David Barton "Radar System Analysis," Airtech House, 1976, S. 11-17 und die Veröffentlichung von Mischa Schwartz, "A Coincidence Procedure For Signal Detection", IRE Transaction, Dezember 1956, S. 135-139 verwiesen.

Ein Ziel der Erfindung sind dementsprechend neue und verbesserte Entfernungs- und Richtungsnavigationssysteme, und im speziellen Systeme zur indirekten Entfernungsmessung. Ein weiteres Ziel ist es hierbei, die Reaktionszeit und ähnliche Variable aus den Berechnungen zu eliminieren, so daß stationsbedingte Veränderungen nicht in Erscheinung treten.

Insbesondere soll durch die Erfindung ein System mit einer Betriebsartumschaltung geschaffen werden, wobei jede Station entweder als Master- oder Leitstation oder als Wiederholeroder Antwortstation arbeitet, so daß Unterschiede in der Reaktionszeit und ähnlicher Variablen durch die Umschaltung herausgemittelt werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden diese und andere Ziele erreicht durch ein Radarsystem, mit dem sich die Position eines Fahrzeuges in einem Koordinatennetz bestimmen läßt, entweder durch Angabe von Abszisse X und Ordinate Y oder durch Angabe der geographischen Länge und Breite der Position. Mehrere Stationen

sind an festen bekannten Positionen installiert, wobei die Abstände zwischen den Stationen beim Installieren vermessen werden. Zwischen jeder dieser festen Stationen und einer Station auf einem beweglichen Fahrzeug gibt es mehrere Funkstrecken. Beim Vertauschen der Rollen der Stationen werden systematische Fehler im einen Falle addiert, im anderen Fall jedoch subtrahiert. Dabei können Abweichungen, die durch Unterschiede der einzelnen Stationen verursacht werden, mit Hilfe eines Computers ermittelt und beseitigt werden.

In den Zeichnungen ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt

Fig. 1 und 2 zeigen die graphische Darstellung eines Systems nach dem Stand der Technik gemäß der US-PS 43 98 198;

Fig. 3 zeigt eine Hälfte der Darstellung von Fig. 1, um zu zeigen, wie sich die Funktion des neuartigen Systems von einem System nach dem Stand der Technik nach Fig. 1 und 2 unterscheidet;

In Fig. 4, 5 und 6 ist dargestellt, wie der Betriebszustand und die Funktion jeder Station beim Betrieb gewechselt werden;

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltungsanordnung, wie sie in jeder Station des neuartigen Systems Anwendung finden kann.

Fig. 1 zeigt eine direkt aus der US-PS 43 98 198 entnommene Darstellung eines Ortungssystems nach dem Stand der Technik. Es sind vier Stationen dargestellt, die mit drei verschiedenen, und damit teuren, speziell angefertigten Geräten ausgerüstet sind. Die Master- oder Leitstation kann senden und empfangen, arbeitet unabhängig und leitet den Betrieb der übrigen Stationen.

Die Wiederholstationen arbeiten mehr oder weniger als Spiegel, sie reflektieren lediglich das Signal, das sie empfangen. Die Zielstation ist eine passive Einrichtung, , sie hört lediglich die Signale aller Stationen ab und berechnet mit Hilfe eines Computers die Bedeutung des Empfangenen in Form von Meßzeitdifferenzen.

Die Positionsbestimmung mit einem System nach Fig 1 erfolgt durch Vergleich der Zeitspanne, die Radarimpulse benötigen, um einen direkten Weg D1 zurückzulegen mit den Zeitspannen, die nötig sind, um die im wesentlichen gleichen Radarimpulse über die längeren Wege R2+D2 und R3+D3 zu übertragen. Der erste identifizierbare Impuls wird über den kürzesten und direkten Weg D1 empfangen, der Empfang dieses Signals erfolgt zum Zeitpunkt t, (Fig. 2) und startet eine Zeitmessung für die beiden Zeitintervalle t, und t,.. Der zweite Weg könnte entweder R2+D2 oder R3+D3 sein. Für den Weg R2+D2 stoppt der Empfang eines Impulses zur Zeit t.. das Zeitintervall t,. Für den Weg R3+D3 stoppt der Empfang eines Impulses zur Zeit t_ das Zeitintervall t^. Aus dem Vergleich der beiden Zeitspannen t, und t,- können mit Hilfe eines Computers in der Zielstation die verschiedenen Entfernungen und Positionen berechnet werden.

Fig. 3 zeigt eine umgezeichnete Hälfte der Fig. 1, wobei die drei Stationen mit A, B und C bezeichnet sind. Nun soll angenommen werden, daß alle drei Stationen identisch sind. Die Stationen sollen jetzt umbenannt werden, die Station, die in Abbildung 1 die Funktion der "Leitstation" inne hat, soll nun als "Referenzstation" bezeichnet werden, und die Station, die ursprünglich als "Wiederholerstation" bezeichnet wurde, soll nun "Flügelstation" heißen. Die Entfernung D1 soll als fest und bekannt angesehen werden; sie soll z. B. bei der Installation der Stationen A und B vermessen worden sein.

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36^:Ϊ3-226

Bei dem genannten, in der US-PS 43 98 198 beschriebenen System senden und empfangen alle Stationen auf derselben Frequenz. In diesem bekannten System erfolgt die Identifizierung der verschiedenen Stationen dadurch, daß einzelne Impulse aus einem stetigen Strom von Radarimpulsen, die mit zeitlich einheitlichem Abstand gesendet werden, ausgelassen werden, und daß andere Impulse wiederholt werden. Das heißt z. 8., die Station Nr. 10 könnte zehn Signalimpulse senden, den nächsten auslassen und dann weitere zehn Signalimpulse senden usw. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein einfacheres Identifikationsschema angewendet. Angenommen, die Station A (Fig. 3) beginne zunächst als Referenzstation zu arbeiten und setze zunächst ihren Marker-, Kennungs- oder Identifikationsimpuls ab, auf den 200 Bereichs- oder Meßimpulse folgen. Nachdem die Station A eine Zeit lang als Referenzstation gearbeitet hat, beendet sie die Betriebsart als Referenzstation und beginnt als Flügelstation zu arbeiten, während Station B jetzt Referenzstation wird. Wenn Station B als Referenzstation zu arbeiten beginnt, sendet sie zunächst ihren Kennungsimpuls, gefolgt von weiteren 200 Meßimpulsen. Zum Beispiel könnte Station A ihren Kennungsimpuls mit einem zeitlichen Vorlauf von 30 Mikrosekunden senden, Station B ihren Kennungsimpuls mit einem Vorlauf von 40 Mikrosekunden usw. Dann übernimmt Station C, sendet ihren Kennungsimpuls, und die Meßimpulse. Die Vorteile sind: (i) es können mehr Stationen im System arbeiten, (ii) der Aufbau aller Stationen ist gleich, mit der Ausnahme, daß für unterschiedliche Kennungsimpulse geringfügige Änderungen vorgenommen werden müssen und (iii) der Zielempfänger nimmt viele verschiedene Signale auf, die zur genaueren Messung gemittelt werden.

Nach den in der US-PS 43 98 198 dargestellten, und in Fig. 1 und 2 erläuterten Prinzipien, empfängt die Station C (Fig.

3) rum Beispiel über den Weg R2 ein direktes Signal und über den Weg D1+D2 ein indirektes Signal. Als Differenz der in Fig. 2 beschriebenen Zeitmessung erhält man:

^T(BA)^=D1+D2"^R2

T_(BA): am der Zielempfänger gemessene Zeitdifferenz,

D1: Laufzeit zwischen Station A und B,

D2: Laufzeit zwischen Station A und dem Zielempfänger,

R2: Laufzeit zwischen Station B und dem Zielempfänger.

Nun sei angenommen, daß die Stationen A und B ihre Funktionen vertauschen, so daß die Station A nun Referenzstation und Station B Flügelstation wird. Als Differenz erhält man dann:

^T(AB) ^{= D1+R2}"^D2

Addiert man die Gleichungen (1) und (2), erhält man ¹CBA)^{+ T}(AB) ^{=2D1 (3}

Hier sollte daran erinnert werden, daß die Entfernung D1 bei der ursprünglichen Installation der Stationen A und B gemessen worden ist. Deshalb ist die Laufzeit ^T/_BA)^{+ T}(ar)' ^was die Entfernungsberechnung betrifft, bekannt. Damit ist eine bekannte Gleichung gegeben, die als Ausgangsbasis für die Beurteilung der Resultate des Radarsystems nach Fig. 1 und 2 verwendet werden kann. Die Zielstation gem. Fig. 1 kann in der üblichen Weise Messungen durchführen, während die anderen drei Stationen ihre Rollen als Referenz- und Flügelstationen periodisch wechseln. Im Computer der Zielstation kann die "bekannte" Entfernung dazu verwendet werden, die erhaltenen Daten durch Vergleich der gleichen bekannten Resultate vor und nach dem Wechsel der Rollen der Stationen periodisch zu kontrollieren. Die tatsächlichen systematischen Abweichungen des Systems werden bald aufgedeckt,

danach wird ein Wert errechnet, der diese Abweichungen widerspiegeLt. Dieser Wert dient dann als Konstante, die von den verschiedenen Meßwerten abgezogen, oder zu ihnen hinzuaddiert wird. Andere zufällige und nichtsystematische Abweichungen haben die Tendenz, sich herauszumitteln und beeinflussen die Meßwerte nicht wesentlich.

Die Betrachtung der Betriebweise des Systems in Fig. 3 kann weiter verallgemeinert werden, wobei irgendeine der Fest- oder Küstenstationen entweder eine Referenzstation oder eine Flügelstation sein kann. Das Muster, nach dem der Sendebetrieb umgeschaltet wird, ist in Fig. 4 bis 6 dargestellt, wobei "R" als erster Buchstabe bedeutet, daß die Station als "Referenz-" oder Leitstation arbeitet, "W" als erster Buchstabe bedeutet, daß die Station als "Flügel-" oder Wiederholungsstation arbeitet.

Genauer heißt das (vgl. Fig. 4), daß Referenzstation A als Hauptstation mit der Sendung von 150 Referenzimpulsen beginnt, wobei die ersten 50 Impulse ein Vorlauf von geeigneten Kennungsimpulsen sind, die zur Identifizierung und Anzeige ihrer Funktion als Referenzstation dienen und von den übrigen 100 Meßimpulsen gefolgt werden (die Anzahl 150 ist nur ein willkürliches Beispiel). Die Flügelstationen WB und WC empfangen und wiederholen nach einer Reaktionszeit dann die Impulse, die von der Station A empfangen worden sind. Der Zielempfänger D empfängt alle Impulse über den direkten Weg AD und über die beiden indirekten Wege ABD und ACD.

Nach den (willkürlich gewählten) 150 Meßimpulsen schaltet die Station A ihre Betriebsart um und wird zur Flügel- oder Wiederholungsstation und Station B schaltet ihre Betriebsart um und

wird zur Referenz- oder Leitstation (vgL. Fig. 5). Station B beginnt als Referenzstation indem sie ihre KennungsimpuLse zur Identifizierung und Anzeige ihrer RoLLe sendet. Der Zielempfänger D empfängt die ImpuLse über die drei Wege BD, BAD und BCD. Wenn die nächsten 150 ReferenzimpuLse gesendet sind, kehrt Station B wieder zu ihrer RoLLe aLs FlügeLstation zurück und Station C übernimmt die Funktion der Referenzstation (vgL.

Fig. 6). Station C sendet Markierungsimpulse zur Identifizierung ihrer RoLLe, denen die Meß-, Bereichs- oder LeitimpuLse foLgen, die die Zielstation D über die Wege CD, CBD und CAD empfängt.

Danach kehrt das System in den in Fig. 4 dargestellten Zustand zurück. Station A arbeitet wieder als Referenzstation und der Zyklus wiederholt sich. Tritt im ersten Zyklus eine zufällige Variable auf, z. B. ein wetterbedingtes Ereignis, so wird sie sich bei einem späteren Zyklus geändert haben. Nach einer genügenden Anzahl von Zyklen werden sich alle zufälligen Variablen ungefähr zu Null herausgemittel haben. Ist eine systematische Variable vorhanden, z. B. eine verlängerte Reaktionszeit einer Station durch ein gealtertes Bauteil, so wird diese Variable bei jedem wiederholten Impuls stets vorhanden sein und sich nicht herausmitteln. Durch das erfindungsgemäße System werden diese systematischen Variablen oder Fehler durch Vergleich der bekannten Entfernung zwischen zwei Stationen mit den verschiedenen durch Radarmessung gefundenen scheinbaren Entfernungen herausgefunden, auf eine mathematische Konstante reduziert und dann von den Meßwerten subtrahiert (bzw. zu diesen addiert).

Zum Beispiel aus GLeichung (3),

¹CAB)^{+ T}(BA)^{= 2 D1 =2(AB)}' wo zwei Meßwerte einem bekannten konstanten Wert (die beobachtete Entfernung) gleichgesetzt werden; T,._B« wurde vom ZieLempfänger in der in Fig. 4 daⁿgestellten Betriebsart gemessen, wohingegen

vom Zielempfänger in der in Fig. 5 dargestellten Betriebsart gemessen worden ist. In einer ähnlichen Weise wird unter Verwendung der in Fig. 4, 5 und 6 gezeigten Sendebetriebsarten gefunden:

^T(AC)^+TCCA) = ^2(AC)' ^T(BA) ^{+ T}(AB) = ^2(AB)

^T(BC) ^+T(CB) ^=2(BC)-

Die in Fig. 4 bis 6 dargestellten Systeme können bis auf irgendeine geeignete Anzahl von Stationen ausgedehnt werden. Alle Stationen sind identisch. Alle Stationen senden auf einer einzigen Frequenz. Jede Station arbeitet völlig unabhängig von allen anderen Stationen. Sie müssen sich lediglich entweder als Referenzstation zu erkennen geben oder geeignete Referenzsignale erkennen und auf sie reagieren. Falls gewünscht, können die zur Stationsidentifizierung dienenden Kennungssignale erweitert werden, so daß sie zusätzliche Daten, wie Stationsposition, Kanalzuteilungen, Wetterberichte, Gefahrenmeldungen und ähnliches beinhalten.

In Fig. 7 ist die elektronische Einrichtung einer der Stationen, die in einer der drei möglichen Betriebsarten arbeiten, dargestellt. Alle Stationen sind identisch, es sei jedoch bemerkt, daß der Zielempfänger keinen Sender benötigt. Die Einrichtung enthält einen geeigneten Mikroprozessor (30), der entweder durch Software oder durch Hardware gesteuert wird. Als Taktgeber (32) ist vorzugsweise ein von einem quarzgesteuerten Oszillator gesteuerter Zähler vorgesehen, weiterhin sind ein verriegelter logischer Detektor (34) und ein Sender (36) eines Typs vorgegeben, wie sie in der US-PS 43 98 198 und in anderen Patentschriften der

DeL Norte Technology, Inc., beschrieben sind, die den verriegelten logischen Detektor (34) herstellt und unter der Bezeichnung "DNTI" vertreibt.

Die in Fig. 7 dargestellte Station wird durch den Mikroprozessor (30) gesteuert. Für die Referenzbetriebsart als Referenzstation wird vom Mikroprozessor (30) zuerst der entsprechende Code über die Adressen- und Datenleitungen in einen Koinzidenzdetektor (52) und den verriegelten logischen Detektor (34) geladen. Ein UND-Gatter (42) wird über eine Referenzbetriebsart- (REF-MODE)- Steuerleitung (40) vom Mikroprozessor (30) durchlaßbereit gemacht. Der verriegelte logische Detektor (34) wird vom Mikroprozessor über eine Generatorbetriebsart- (GEN-MODE-) Steuerleitung (43) angesteuert und in die Generatorbetriebsart versetzt. Die Impulse des verriegelten logischen Detektors (34) werden dann vom Sender (36) über die Antenne (55) gesendet. Der Mikroprozessor (30) zählt die Signale des verriegelten logischen Detektors über eine mit dem verriegelten logischen Detektor verbundene Datenleitung (48) und bestimmt den Startzeitpunkt für einen Kennungsgenerator (38). Die Impulse des Kennungsgenerators (38) werden zu den Referenzimpulsen hinzugefügt, so daß die Impulse von den Flügel- und Zielstationen identifiziert werden können. Nach der entsprechenden Anzahl von Kennungsimpulsen wird der Kennungsgenerator außer Betrieb gesetzt.

Nachdem alle Bereichs- oder Meßimpulse gesendet sind, verschwindet das Signal (REF MODE) für die Betriebsart von der Leitung (40), um die Referenzbetriebsart der Station als Referenzstation in die Betriebsart als Flügelstation umzuschalten. Nachdem die nächste Referenz-Station die vorgewählte Anzahl von Meßimpulsen abgezählt und gesendet hat, wird der Kennungsgenerator (38) in dieser Referenzstation in Betrieb gesetzt, um die abschließenden Kennungsimpulse zu senden, durch welche diese Station umgeschal

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tet und in die Betriebsart aLs FLügeLstation zurückgebracht wird. Wenn der Kennungsgenerator (38) in irgendeiner Station einen abschließenden KennungsimpuLs sendet, dann schaltet die nächste Station von der Betriebsart als Flügelstation in die Referenzbetriebsart.

Beim Betrieb als Flügelstation arbeitet die betreffende Station nur als Wiederholer alLer von der Referenzstation empfangenen Meßimpulse. Für die als Flügelstation arbeitende Station ist es nur notwendig, den Empfang eines Meßimpulses, der wiederholt werden solL, zu erkennen und diesen dann wieder zu senden. Wenn das System erstmalig in Betrieb genommen wird, werden die Identifikationscodes der Kennungsimpulse der Stationen, die ein Wiederholen und WiederstrahLen der Meßimpulse erfordern, zum Gebrauch beim Arbeiten der Station als Flügelstation, gespeichert. Das heißt, z. B-, wenn die Meßimpulse der Referenzstation B wiederholt werden soLlen, wird der Identifikationscode der Station B in der Station A gespeichert und verwendet, wenn diese als Flügelstation arbeitet. Wenn die Impulse einer (nicht dargestellten) Station E z. B. nicht wiederholt werden sollen, dann wird der Identifikationscode dieser Station E nicht gespeichert.

Eine FLügeLstation empfängt mit einem Empfänger (50) alle auf der zugeteilten Frequenz gesendeten Signale. Diese Signale werden einem Koinzidenzdetektor (52) zugeführt, welcher den durch die Wiederholungsrate der Impulse gegebenen Code mit gespeicherten Codeadressen vergleicht und entscheidet, ob eine Reaktion als FLügelstation notwendig ist. FaILs dies der Fall ist, tritt eine Verriegelung im verriegelten logischen Detektor (34) ein, wie es in der ÜS-PS 3,938,146 beschrieben ist. Nach der Verriegelung markiert der verriegelte Logische Detektor (34) eine Kennungsgattei—Leitung (56)/ sofern ein KennungsimpuLs erwartet wird, um einen Kennungsempfänger (54) zu aktivieren,

weLcher im wesentLichen das Gegenstück zum Kennungsgenerator C3S) darsteLLt, um den empfangenen KennungsimpuLs zu anaLysieren. Wenn eine Identifikation des KennungsimpuLs einer Referenzstation, deren SignaLe wiederhoLt werden soLLen, durch den Kennungsempfänger (54) erfoLgt, wird ein SignaL auf eine Leitung (58) gegeben. Vom Mikroprozessor (30) werden mehrere redundante Identifikationen verLangt und erst dann werden die StationidentifizierungssignaLe aLs korrekt akzeptiert. Die empfangenen ImpuLse werden auch direkt vom Empfänger (50) dem Kennungsempfänger (54) zugeführt.

Der Kennungsempfänger (54) gewinnt die gesamte von der Referenzstation gesendete Kennungs-Information, einschLießLich der Identifizierung der Referenzstation. Danach erkennt die Station die Notwendigkeit, auf die MeßimpuLse, die dem erkannten KennungssignaL foLgen, anzusprechen. Die im Empfänger (50) empfangenen MeßimpuLse werden vom Sender (36) über die Antenne (55) wieder gesendet. GLeichzeitig werden über die Leitung (48) vom Mikroprozessor (30) die MeßimpuLse in vorgegebener AnzahL abgezähLt. Nachdem die vorgegebene AnzahL von ImpuLsen empfangen worden ist, wird wieder eine andere Station auf einen Betrieb aLs Referenzstation umgeschaLtet.

Im Betrieb empfängt der Empfänger (50) die ImpuLse, die vom Koinzidenzdetektor aLs sich mit derjenigen ImpuLswiederhoLungsrate wiederhoLend erkannt werden, auf die eine Reaktion notwendig ist. Da dieses Erkennen der MeßimpuLse durch die ImpuLswiederhoLungsrate geschieht, ist es mögLich, eine einzeLne FLügeLstation so zu programmieren, daß sie nach einem Zeitschema arbeitet, das auf mehrere verschiedene Referenzstationen anspricht, weLche gLeichzeitig mit verschiedenen ImpuLswiederhoLungsraten arbeiten.

Um das VerhaLten des Systems zu verbessern, kann z. B. wie foLgt verfahren werden: Während eines voLLständigen ZykLus werden 151 MeßimpuLse gesendet. Dann könnte die FLügeLstation

ι/

A normalerweise ζ. B. nur auf die Impulse 12 bis 51 reagieren. FLügelstation 8 könnte nur auf die Impulse 62bls 101 reagieren, die Flügelstation C nur auf die Impulse 112 bis 151 . Wenn eine als Referenzstation arbeitende Station durch eine andere Station abgelöst wird, könnte die abgelöste Station, welche nun als Flügelstation zu arbeiten beginnt, auf die Impulse ansprechen, auf die sonst normalerweise diejenige Station anspricht, die in die Referenzbetriebsart übergeht- Das heißt im oben angegebenen Beispiel, die Flügelstation B würde auf die Impulse

12 bis 51 ansprechen, während die Station A als Referenzstation arbeitet.

Es ist dann also nicht notwendig, eine Flügelstation-Antwortmöglichkeit vorzusehen, die überflüssig ist, wenn die Station als Referenzstation arbeitet.

Es ist außerdem notwendig, daß jede Station sich nach der Änderung der Betriebsart resynchronisiert und wieder in das zeitliche Ablaufschema des Systems eingereiht wird. Zu diesem Zweck ist eine konstante Resynchronisationsaktualisierung vorgesehen, durch die Problem des Wegdriftens vermieden wird. Auch führt der Ausfall einer Station nicht zum Ausfall des Gesamt-^systems, da der Rollenwechsel bewirkt, daß der Betrieb als Flügelsstation wird von einer anderen, fehlerfreien Station übernommen wird. Die ausgefallene Station kann sich durch eine Lücke im Impulsfluß äußern.

Wenn die in Figur 7 dargestellte Station als Zielempfänger arbeitet, besteht ihre Aufgabe darin, die in Fig. 2 dargestellten Zeitdifferenzen zu ermitteln. Das Ausgangssignal des Zielempfängers (50) wird einem Computer zugeführt, der die für die Navigationsrechnung notwendigen Daten aus diesen Differenzen errechnet.

Der Zielempfänger der Zielstation empfängt die Signale lediglich, strahlt sie jedoch nicht wieder aus.

Der hauptsächliche Unterschied beim Betrieb als Zielempfänger besteht in einer Funktion der Tor- und Zählschaltung (60). Die Signalidentifikation, Verriegelung usw. erfolgt wie oben bzw. in den Patentschriften des Anmelders beschrieben.

Die vom Zielempfänger auszuwertende Differenzzeitinformation ist enthalten in der Zeitspanne zwischen dem Empfang der Impulse der Referenzstation und dem Empfang der von der Flügelstation wiederholten Impulse der Referenzstation. Der Signalvorspann des Signals der Referenzstation enthält einfache Referenzimpulse, auf die der verriegelte logische Detektor (34) verriegelt bzw. synchronisiert wird. Sobald die Kennungsimpulse beendet sind, beginnt eine Flügelstation die Referenzimpulse zu wiederholen. Jeder Referenzimpuls wird an der Torschaltung (63) vom verriegelten logischen Detektor getastet, um die Haupttor- und Zählschaltung (60) zu starten. Nach jedem Torimpuls des verriegelten logischen Detektors wird der von der Flügelstation wiederholte Impuls durch ein Zeitfenster (71) (ein endliches Zeitintervall nach jedem Torimpuls des verriegelten logischen Detektors) am Gatter (65) getastet und damit die Haupttor- und Zählschaltung (60) angehalten. Das so gemessene Zeitintervall wird dem Mikroprozessor (30) zugeführt. Darüber hinaus wird jede mit den Meßimpulsen gesendete Information, z. B. die in den Kennungsimpulsen enthaltende Information vom Mikroprozessor entschlüsselt.

In der US-PS 4,398,198 ist der mathematische Formalismus dargelegt, der notwendig ist, und aus den Zeitdifferenzen der über die verschiedenen Wege empfangenen Impulse die Positionen zu bestimmen. Die Ausgangssignale des Mikroprozessors können mit einem beliebigen geeigneten Computer mit Hilfe dieses Formalismus ausgewertet werden.

Wie schon ausgeführt, bedeutet die Umschaltung der RoLLen der Stationen, daß jede zu einer anderen Zeit als Referenzstation arbeitet. Das heißt, es kann vorkommen, daß sich die Zielstation bewegt hat und sich bei den einzelnen Messungen nicht exakt am gleichen Ort befindet. Es entspricht jedoch dem Stand der Technik, die erhaltenen Daten mathematisch so zu korrigieren, daß sie so erscheinen, als wären sie zum exakt gleichen Zeitpunkt gemessen worden.

Durch verschiedene Umstände können die Messungen mit Fehlern behaftet sein, z. B. durch Alterung von Bauteilen, durch unterschiedliche Reaktionszeiten, durch atmosphärische Veränderungen u. ä. Mit dem beschriebenen System werden nichtsystematische Fehler herausgemittelt oder ausgeglichen. Dieser Effekt nimmt mit der Anzahl der Messungen zu. Wenn sich Fehler nicht herausmitteln, bedeutet dies, daß das System mit systematischen Fehlern behaftet ist, die stets in die gleiche Richtung gehen. Es gibt dann eine Verschiebung, die rechnersich behoben werden kann.

Unter Verwendung der obengenannten Symbole und, unter der Annahme, daß K die doppelte Entfernung zwischen zwei Stationen ist, bedeutet Gleichung (3):

AB + BA = K_AB.

Wenn man einen Fehler an einer Station mit dem Index E bezeichnet (z.B. Α. bedeutet einen Fehler an der an der Station A), dann können die Messungen wie folgt geschrieben werden: AB₊B_{E +} BA ₊ A_E = K_{AB +} E_AB

BC ₊ C_E + CB

wobei A , Β_£ und C_ die bei den einzelnen Flügelstationen auftre-

tenden Fehler und E , Ε._ und Ε__ die zusammengesetzten Fehler bedeuten.

Nach Vorliegen von genügend vielen Messungen mitteln sich die zufälligen Veränderungen oder Fehler heraus, bekannte Konstanten können eingesetzt werden und damit reduzieren sich diese Gleichungen zu:

^BE ■	^EAB
V	^EAC
V	^EBC

^tAE ⁼
,B =

Die Gleichungen können also für jede der Unbekannten gelöst werden, um die systematischen Fehler in den einzelnen Stationen zu erhalten.

Bei dem in der obengenannten US-Patentschrift beschriebenen System senden alle Stationen auf einer einzigen Frequenz, die zur Stationsidentifikation in charakteristischer Weise unterbrochen wird. Bei einem weltweiten System könnte überall die gleiche Frequenz mit unterschiedlichen Unterbrechungsraten für verschiedene Gebietscode verwendet werden. Ein in ein bestimmtes Gebiet gelangendes Fahrzeug würde den betreffenden Gebietscode entschlüsseln und die die entsprechenden Stationen betreffenden Daten aus einer geeigneten Datei entnehmen, wie z. B. einem in den Mikroprozessor 30 integrierten Festwertspeicher. Nach einer ausreichenden Anzahl von Messungen kann der an Bord befindliche Rechner dann leicht die systematischen Fehler der einzelnen Feststationen jeweils rechnerisch subtrahieren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Funkmeß- und Navigationssystem mit einer Vielzahl von an geographisch bekannten Orten befindlichen Stationen und einer nicht begrenzten Anzahl von beweglichen Empfängerstationen an unabhängigen Orten, gekennzeichnet durch

- eine in jeder der bekannten Stationen (A, B, C) befindliche Einrichtung (50, 52, 34, 36, 55) zum Betreiben der betreffenden Station in einBr Referenz-Betriebsart oder in einer Flügel-Wiederho-Ie ι—Betriebsart,

- eine Einrichtung (30, 54, 38, 58, 40, 43, 42) zum systematischen Umschalten der Betriebsarten der bekannten Stationen,

- eine Einrichtung (55, 50, 52, 34, 54, 63, 60, 71, 65, 30), welche auf Signale, die während der umschaltbaren Betriebsarten gesendet werden, anspricht und scheinbare Entfernungen zwischen Stationen ermittelt,

- eine, auf Veränderungen der scheinbaren Entfernungen ansprechende. Einrichtung (30) zur Berechnung systematischer Fehler, und

- eine Einrichtung (30) zur Korrektur der systematischen Fehler der scheinbaren Entfernungen, um korrekte Messungen von Zeitdifferenzen zu erhalten.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30)zur Berechnung der systematischen Fehler eine Einrichtung (30) zur Addition der mindestens in zwei der umschaltbaren Betriebsarten gemessenen scheinbaren Entfernungen oder Differenzmessungen zwischen zwei oder mehr der bekannten Stationen, deren Entfernung voneinander bekannt ist, und zur Subtraktion der bekannten Entfernung von den addierten scheinbaren Entfernungen, um Zeitverzögerungen, die in einer elektronischen Schaltung des Systems auftreten, zu ermitteln.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem gegebenen Zeitpunkt eine der bekannten Stationen (R) in der Referenz-Betriebsart arbeitet, daß mindestens einer der beweglichen Empfänger

(D) in einer passiven Betriebsart arbeitet und daß aLle anderen bekannten Stationen (W) in der FLügel-Wiederholer-Betriebsart arbeiten, daß die als FLüge!.Stationen arbeitenden bekannten Stationen (W) durch die Einrichtung (30, 34, 32, 52, 40, 43, 42) zum systematischen Umschalten der Betriebsart nacheinander in die Referenzbetriebsart geschattet werden, so daß jede bekannte Station (A, B, C) mit Ausnahme des beweglichen Empfängers (D) einmal als Referenzstation (R) arbeitet und daß die bewegliche Empfängerstation (D) eine Einrichtung (34, 63, 60, 71, 65, 30) zur Messung eines Zeitintervalls aufweist, das mit dem Empfang (t,) eines von einer Referenzstation direkt gesendeten Impulses beginnt und mit dem Empfang (t.., t_) eines entsprechenden, von einer Flügelstation wiederholten Impulses endet.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle bekannten Stationen CA, B, C) auf einer einzigen Frequenz senden, daß jede der bekannten Stationen die Frequenz mit einer ihr eigenen Rate pulst, um Bereichsimpulse mit einer, das System identifizierenden Pulswiederholrate zu senden, daß eine, als Referenzstation arbeitende, bekannte Station über eine Einrichtung (34, 48, 38, 36, 55) zum Senden eines Kennungsimpulses zu Beginn ihrer Referenzbetriebsart verfügt und daß andere Stationen eine, auf die Kennungsimpulse ansprechende, Einrichtung (55, 50, 52, 34, 56, 54, 58, 30) zur Identifikation der Station, welche in der Referenzbetriebsart arbeitet, enthalten.

5. System nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (48, 30) zum Abzählen der auf die Kennungsimpulse folgenden Bereichsimpulse und eine auf das Abzählen einer vorgegebenen Anzahl von Meßimpulsen ansprechende Einrichtung (30, 40, 43, 42) zum Umschalten der Betriebsart der bekannten Stationen.

6. Verfahren zum Betrieb von Funkmeß- und Navigationssystemen, gekennzeichnet durch:

a) Installation von mindestens drei bekannten Stationen in einer geographischen Verteilung;

b) Sendung von Signalen von einer ersten der bekannten Stationen ("Referenzstation") zu den beiden anderen bekannten Stationen;

c) Wiederholung der gesendeten Impulse durch die beiden anderen bekannten Stationen ("Flügelstationen");

d) Messung eines Zeitintervalls in einer vierten Station ("beweglicher Empfänger"), welches mit dem Empfang eines im Verfahrensschritt b) gesendeten Impulses beginnt und mit dem Empfang des im Verfahrensschritt c) wiederholten Impulses endet;

e) Wechsel der Rollen der bekannten Stationen, so daß die zweite bekannte Station als Referenzstation arbeitet und die übrigen Feststationen als Flügel-Wiederholer-Stationen arbeiten und des Verfahrensschritts d);

f) Wechsel der Rollen der bekannten Stationen, so daß jede der bekannten Stationen einmal als Referenzstation arbeitet, während die übrigen bekannten Stationen als Flügel-Wiederholer-Stationen arbeiten und Wiederholung des Verfahrensschritts d); und

g) Addition der für wechselweise Paare der bekannten Stationen beim Betrieb als Referenzstation und als Flügelstation bei den Verfahrensschritten e) und f) gemessenen Zeitintervalle und Vergleich mit der bekannten Entfernung zwischen den Paaren der bekannten Stationen, um beim Betrieb systematische Fehler zu ermitteln.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Verfahrensschritt b) als Verfahrensschritte das Senden eines Stationsidentifizierenden Kennungsimpulses, das Senden einer vorgesehenen Anzahl von Meßimpulsen und das Senden eines abschließenden Kennungsimpulses beinhaltet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte 6e) und 6f) als Verfahrensschritt das durch die Kennungsimpulse ausgelöste Umschalten der Rollen der bekannten Stationen beinhaltet.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte 6e) und 6f) als Verfahrensschritt das durch den Empfang

eines Endes einer Sequenz von Referenzsignalen der als Referenzstation arbeitenden Feststation ausgelöste Umschalten der Rollen der Feststationen enthält.

10- Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrensschritt,, daß die Meßimpulse mit einer stationsidentifizierenden Impulswiederholrate gesendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das stationsidentif izierende Kennungssignal einen, gegenüber seiner bezüglich der Wiederholrate normalen Position um eine vorgegebenes stationsidentif izierendes Zeitintervall früher gesendeten Impuls enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrensschritt, daß in einem durch die Kennungsimpulse bezeichneten Impulsintervall Daten gesendet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung nach Verfahrensschritt 6d) in einer beweglichen Empfängerstation stattfindet, und daß als zusätzlicher Verfahrensschritt die scheinbaren Zeitpunkte berechnet werden, zu denen die Impulse empfangen worden wären, wenn sich die bewegliche Station an einem einzigen geographischen Ort befunden hätte, um die Messungen zu entzerren.

14. Funkmeß- und Navigationssystem, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von an geographisch bekannten Orten befindlichen Stationen (A, B, C), mindestens eine an einem unbekannten Ort befindliche Station (D), die Möglichkeit jede der bekannten Stationen als Referenzstation (R) und als FLügelstation (W) zu betreiben, eine Einrichtung (30, 54, 38, 58, 40, 43, 42) zum systematischen Umschalten der Betriebsart im System, so daß die bekannten Stationen zyklisch als Referenzstationen arbeiten, eine auf Empfang der während der umschaltbaren Betriebsarten gesendeten Signale ansprechende Einrichtung (55, 50, 52, 34, 54, 63, 60, 71, 65, 30) zur Erfassung scheinbarer Meßwerte zwischen den Stationen, eine auf Veränderungen der scheinbaren Meßwerte ansprechende Einrichtung (30)

zur Berechnung systematischer Fehler und eine auf die systematischen Fehler ansprechende Einrichtung (30) zur Korrektur der scheinbaren Entfernungen um richtige Meßwerte zu erhalten.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) zur Fehlerkorrektur eine Einrichtung (30) zur Addition der scheinbaren, mindestens in zwei der umschaltbaren Betriebsarten gemessenen Entfernungen zwischen den beiden bekannten Stationen, deren Entfernung voneinander bekannt ist, und zur Subtraktion der bekannten Entfernung von den addierten Meßwerten, um in der elektronischen Schaltung des Systems auftretende Zeitverzögerungen zu ermitteln, enthält.

16. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem gegebenen Zeitpunkt eine der bekannten Stationen (A, B, C) als Referenzstation (R) arbeitet, daß mindestens eine der Stationen als Empfängerstation (D) arbeitet, und daß alle anderen bekannten Stationen als Flügelstationen (W) arbeiten, daß mit Hilfe der Einrichtung (30, 54, 38, 58, 40, 43, 42) zum systematischen Umschalten der Betriebsarten die bekannten Stationen nacheinander von der Flügel-Wiederholer-Betriebsart in die Referenzbetriebsart umgeschaltet werden, wobei jede der Feststationen einmal als Referenzstation arbeitet, daß die Empfängerstation mit einer Einrichtung (34, 63, 60, 71, 65, 30) zur Messung eines Zeitintervalls versehen ist, das mit dem Empfang (t,) eines von der Referenzstation direkt gesendeten Impulses beginnt und mit dem Empfang (t., t-) eines entsprechenden von einer Flügelstation wiederholten Impulses endet.

17. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stationen (A, B, C) auf einer einzigen Frequenz senden, daß jede Station die Frequenz mit einer ihr eigenen Rate unterbricht, um mit einer Stationsidentifizierenden Impulswiederholrate Meßimpulse zu senden, und daß eine als Referenzstation arbeitende bekannte Station mit einer Einrichtung (34, 48, 38, 36, 55) zum Senden eines Kennungsimpulses zu Beginn ihrer Betriebsart als Referenzstation und daß andere Stationen

mit einer auf die Kennungsungsimpulse ansprechenden Einrichtung (55, 50, 52, 34, 56, 54, 58, 30) zur Identifikation der Station, welche als nächste aLs Referenzstation arbeitet, versehen sind.

18. System nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (48, 30) zum Abzählen der auf die Kennungsimpulse folgenden Meßimpulse und eine auf das Abzählen einer vorgesehenen Anzahl von Meßimpulsen ansprechenden Einrichtung (30, 40, 43, 42) zum Umschalten der Stationsbetriebsart.