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Funkverfahren zur Entfernungsmessung und gegebenenfalls Ortsbestimmung
Die erfindung bezieht sich auf ein Navigationssystem, mit dem bewegliche Obejkte,
insbesondere Flugzeuge, mit bordeigenen Empfangsanlagen ihre Position durch Phasenauswertung
zwischen einem Träger und dem oberen bzw. unteren Seitenband einer Navigationsfrequenz
bestimmen können. Der Träger und die Seitenbänder werden durch am Boden an verschiedenen
Orten aufgebaute Sendestagionen ausgestrahlt.
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Ein derartiges Navigationssystem ist in einem älteren Vorschlag (deutsches
Patent 1262277) beschrieben worden. Es dient der Richtungsbestimmung. Die Bodenanlage
umfaßt mehrere an verschiedenen Orten aufgebaute Sendeanlagen mit den dazugehörigen
Antennen, die den unmodulierten Träger und das obere und untere Seitenband einer
oder mehrerer Modulationsfrequenzen getrennt ausstrahlen. Die Ortsbestimmung in
den beweglichen Stationen erfolgt durch Phasenvergleich zwischen den Demodulationsprodukten
der einzelnen Seitenbänder.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein derartiges Navigationssystem.
Der Unterschied gegenüber dem im älteren Vorschlag geschilderten System besteht
darin, daß statt der Richtung die Entfernung bestimmt werden soll und daß der Träger,
dessen ausgestrahlte Leistung gegenüber dlen Seitenbündern recht erheblich sein
muß, nicht von einer Bodenanlage ausgestrahlt, sondern an bord erzeugt und den empfangenen
Seitenbändern zugesetzt wird.
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Dazu ist zu bemerken, daß es an sich bekannt ist, in der funknavigation
anstatt eines sendeseitig ausgestrahleten, frequenzstabilen Trägers auf der Empfangsseite
als Trägert die gleiche Frequenz eines in der Empfangsanlage vorgesehenen, frequenzstabilen
OS-zillators zu verwenden (französische Patentschrift 1337 227; belgische Patentschrift
623732).
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Die Erfindung bezieht sich also auf ein Funkverfahren zur Entfernungsmessung
in Verbindung mit einer zur Richtungsbestimmung geeigneten Anlage, bei der sendeseitig
die beiden Modulationsseitenbäneder einer mit einer Modulationsfrequenz modulieten
Trägerfrequenz abgestrahlt und empfangsseitig aufgenommen und mittels der Trägerfrequenz
demoduliert werden und bei der die Phasendifferenz zwischen den Demodulationsprodukten
des oberen und unteren Seitenbandes gemessen wird.
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Erfindungsgemäß wird der zur Demodulation erforderliche Träger erst
empfangsseitig erzeugt, wozu in an sich bekannter Weise ein mit dem Trägeroszillator
der Sendestation synchrol schwingender stabiler Oszillator verwendet wird, so daß
die Phasendifferenz zwischen den beiden Demodulationsprodukten ein Maß für die Entfernung
ist.
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Der Träger und die Seitenbänder werden in einer speziellen Demodulationsschaltung
gemischt, derart, daß an ihrem Ausgang die Schwebungsfrequenzen zwischen dem Träger
und unterem Seitenband einerseits und Träger und oberem Seitenband andererseits
getrennt zur Verfügung stehen, und durch gegenseitigen Phasenvergleich die Entfernungsmessung
bzw. Ortsbestimmung erfolgen kann.
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Die Erfindung kann auf ein Navigationssystem mit einer Ortsbestimmung
durch Messung mindestens zweier Entfernungen oder auch auf ein Hyperbelnavigationssuystem
angewendet werden.
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Die Erfindung wird an Hand von Figuren erläutert. In Fig. 1 sind bei
1 und 2 schematisch zwei Bodenstationen und bei 3 eine zur Aufnahme der Bodensender
geeignete mobile Empfangsstation gezeichnt; Fig. 2 zeigt ein blockschaltbild eines
in der Empfangsanordnung 3 gemäß F i g. 1 enthaltenen Demodulators.
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Die Bodenstation 1 enthält einen symmetrischen Modulator 4, in dem
die einem Oszillator 5 mit sehr hoher Frequenzstabilität erzeugte elektromagnetische
Welle F, die im niederfrequenten Bereich liegt, mit der Tonfrequenz f1 eines Generators
6 moduliert wird. Der Modulator 4 ist so eingerichtet, daß der Träger F unterdrückt
ist. Die Seitenbänder der Frequenzen F + f1 werden von einer Antenne 7 ausgestrahlt.
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Die Empfangseinrichtung der mobilen Station 3 enthält eine Empfangsantenne
12 und die Empfängereingangsstufen 13, mittels derer die Ausstrahlungen der Bodenstation
auf den Frequenzen F + f1 empfangen werden können.
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Die Ausgangsspannung der Eingangsstufen 13 des Empfängers wird einem
speziellen Demodulator 14 eingegeben, in dem die empfangenen Seitenbänder mit dem
im Oszillator 15 erzeugten Träger, der die Frequenz F frequenzstabil liefert, gemischt
werden.
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Am Ausgang des Demodulators 14 stehen zwei Signalspannungen der Frequenz
f1, die dem oberen (F + f1) und unteren Seitenband (F - f1) entsprechen, getrennt
zur Verfügung. Die Phasendifferenz der beiden Signalspannungen der Frequenz f1 entspricht
der Phasenverschiebung der Weitenbandvektoren in bezug auf den Träger. Diese Phasenverschiebung
ist proportional der Entfernung der mobilen Station von der Bodenstation Die beiden
Ausgangsspannungen der Frequenz f1 des Demodulators 14 werden durch Filter 16 bzw.
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17 ausgesiebt. Wichtig dabei ist, daß der im Oszillator 15 der beweglichen
Station erzeugte Träger sehr frequenzstabil arbeitet und immer mit dem Oszillator
5 der Bodenstation 1 phasengleich ist. die Stabilität des Oszillators hängt von
der gewünschten Meßgenauigkeit des Systems ab; im allgemeinen ist dabei ein quarzgesteuerter
Oszillator mit einer Frequenzstabilität in der Größenordnung von 10-10 über die
ganze Flugdauer des Flugzeuges erforderlich.
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Die an den Ausgängen der Filter 16 und 17 anstehenden spannungen werden
einer Phasenmeßeinrichtung 20 eingegeben, deren Ausgangswert in Form der Winkeldrehung
einer Achse 21 die Phasendifferenz der eingegebenen Signale der Frequenz f1 angibt.
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Die Winkelstellung der Achse 21 zeigt also die Entfernung der beweglichen
Station von der betreffenden Bodensation an. die gleichen Entfernungsanzeigen wiederholen
sich jeweils bei einer Änderung der Entfernung um #/2, wobei # die Wellenlänge der
sendenden bodenstation ist. Das bisher beschriebene System gestattet also, die Entfernung
von einer bodenstation zu bestimmen. Um eine weltweite Bedeckung der Erdoberfläche
mit solchen Netzen zu gewährleisten, ist eine Mehrzahl von derartigen bodenstationen
erforderlich. Um eine Ortsbestimmung vornehmen zu können, sind zwei solcher-Stationen
notwendig, die in einiger Entfernung voneinander aufgebaut sind.
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Eine davon möge beispielsweise die 15-hz-Seitenbänder eines Trägers,
die zweite die 25-Hz-Seitenbänder einer bei beispielsweise 20 kHz liegenden Trägerwelle
ausstrahlen. Der Träger ist jeweils unterdruückt; er wird nicht ausgestrahlt.
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Wenn es also erwünscht ist, eine Positionsbestimmung in der beweglichen
Station vorzunehmen, ist gemäß Fig. 1 eine zweite Bodenstation 2 vorgesehen, die
der Bodenstation 1 bis auf die Modulationsfrequenz des Tonfrequenzgenerators gleeicht.
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Sie enthält einen Trägeroszillator 8, einen Tonfrequenzgenerator 9
und einen symmetrischen Modulator 10. Der Tonfrequenzgenerator 9 erzeugt eine Frequenz
f2, die beispielsweise bei 25 hz liegen möge.
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Die entstehenden Seitenbänder der Frequenz F # f2 werden von einer
Antenne 11 ausgestrahlt. Die beiden Trägrfrequenzoszillatoren 5 und 8 müsen mit
großer Genauigkeit in der Phase übereinstimmen.
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Eine so große Genauigkeit wird mit einer Atomuhr ohne weiteres erreicht;
es genügt aber auch eine Synchronisierung der Sender mit einer gemeinsamen Frequenz,
wie es von anderen navigationssystemen (OMEGA oder LORAN-C) her bekannt ist.
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Die von den bodenstationen ausgesendeten Signale werden von der Empfangseinrichtung
an Bord aufgenommen und demoduliert, so daß schließlich zwei Paare von Tonfrequenzsignalen
der Frequenzen f1 und f2 getrennt zur Verfügung stehen. Die Signale der Frequenz
f1 werden, wie bereits beschrieben, der Phasenmeßeinrichtung 20 eingegeben, nachdem
sie durch die Filter 16 bzw. 17 ausgesiebt worden sind.
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Die Signale der Frequenz f2 werden durch Filer 18 bzw. 19 ausgesiebt
und einer weiteren Phasenmeßeinrichtung 22 eingegeben. Die Winkelstellungen der
Wellen 21 und 23 geben die Entfernung der beweglichen Station von der bodenstation
1 bzw. 2 wieder, und es kann so der Standort der beweglichen Station ermittelt werden,
da ia der Aufstellungsort der Bodenstationen bekannt ist.
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Da die Modulationsfrequenzen der beiden Bodenstationen verschieden
sind, kann eine gegenseitige Störung oder gar Auslöschung der Signale nicht stattfinden.
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Als Modifikation des soeben beschriebenen Ausführungsbeispiels ist
zur Erstellung eines Hyperbelnavigationssystems mit zwei sich schneidenden Hyperbelscharen
eine dritte Bodenstation vorgesehen, die Seitenbänder F + f3 mit unterdrücktem Träger
ausstrahlt.
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Wie bereits beschrieben, stelle die Winkelstellungen der Wellen 21
und 23 die Phasendifferenz zwischen den Signalen der Frequenz f1 bzw. f2 dar.
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Wenn man die Wellen 21 und 23 mit einem Differentialgetriebe 24 kuppelt,
so zeigt der Ausgangswert des Differentialgetriebes 24 auf einer Skala 25 die Differenz
des Phasenunterschieds zwischen den Signalen f1 und f2 an. Diese so vervollständigte
Anordnung ergibt also eine raumbedeckung, bei der die Differenz des Phasenunterschieds
zwischen Paaren von Signalen der Frequenz f1 und f2 konstant ist. Es ergibt sich
also in bekannter Weise ein Hyperbelnetz mit den Sendestationen als Brennpunkten.
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Die Signale der Frequenz f3 werden mittels eines dritten Paares von
Filtern ausgesiebt und einer gleichen Phasenmeßeinrichtung eingegeben wie die Signale
f1 und f2. Die abtriebswelle der dritten Phasenmeßeinrichtung wird zusammen mit
einer der beiden Abtriebswellen 21 oder 23 an ein weiteres Differentialgetriebe
gekuppelt, das auf einer angebrachten Skala die differenz des Phasenunterschieds
der Signale f3 und f1 bzw. f3 und f2 anzeigt. Die Anzeigen beider skalen zusammen
vermitteln also eine Positionsangabe als Schnittpunkt zweier Hyperbeln.
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Da bei dieser Auswertung der Standort des Flugzeuges als Phasenunterschiedsdifferenz
zwischen jeweils zwei Paaren von Seitenbändern ermittelt wird, sind die anformderungen
an die Frequenzstabilität des Trägeregenerators an Bord beim Hyperbelsystem nicht
so hoch, als wenn der Standort durch Messung zweier Entfernungen von zwei Bodenstationen
bestimmt wird.
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Anstatt die Differenz der Ausgangswerte der Phasenmeßeinrichtungen
mechanisch mittels Differentialgetrieben zu bestimmen, kann die Phasenunterswchiedsdiffernz
natürlich auch mit bekannten elektronischen Phasenkomparatoren gemessen werden.
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Ein mit Vorteil verwendbarer Demodulator 14 ist in F i g. 2 dargestellt.
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Die aus den Vorstufen 13 kommenden Seitenbandsignale werden mit dem
Signal des Trägergenerators 15 in einem Mischer 40 gemischt. die als Differenzfrequenzen
entstehenden Mischprodukte werden mittels eines Tiefpasses 41 ausgesiebt, und sie
werden nach Durchlaufen eines Phase-Amplituden-Netzwerkes 42 der Primärweicklung
43 eines Transformators 44 eingegeben. Argeitet die Bordstation mit drei Bodenstationen
zusammen, so stehen am Ausgang drei Schwebungsfrequenzen f1, f2 und f3 zur Verfügung.
Die ausgangssignale der vorstufen werden auch einer weiteren Mischstufe 45 zusammen
mit der im Oszillator 15 erzeugten Trägerwelle eingegeben, nachdem diese in einem
Phassenglied 46 um 90° in der Phase gedreht worden ist. Die Mischprodukte werden
in einem weiteren Tiefpaß 47 geglättet und der Primärwicklung 48 eines zweiten Transformators
49 zugeführt, nachdem sie ein weiteres Phasen-Amplituden-Netzwerk 52 durchlaufen
haben. Das Netzswerk 52 ist zum Netzwerk 42 komplementär, so daß jeweils über den
Bereich der frequenzen f1, f2 und f3 ein Phasenunterschied von 90% zwischen den
der Primärwicklung 43 und 48 zugeführten Spannungen aufrechterhalten ist. Ebenso
sind die Dämpfungsfaktoren der beiden Netzwerke 42 und 52 sorgfältig gegeneinander
abgestimmt.
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Dadurch, daß das eine Wicklungsende der sekundären Wicklung 51 des
Transformators 49 an die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 50 des Transformators
44 gelegt ist und das andere Wicklungsende an Erde, werden die Signale an den Primärwicklungen
43 und 48 an der Sekundärwicklung 50 nuter einem Phasenwinkel von 90° vektoriell
zusammengesetzt. An den Wicklungsenden C und D der Sekundärwicklung 50 stehen daher
Signale der Frequenzen f1, f2 und f3 an. die an C anstehenden Signale entsprechen
den unteren Seitenbändern, die an D anstehenden den oberen, oder umgekehrt, je nachdem,
wie die Wicklungen der Transformatoren angeschlossen sind.
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Zur einwandfreien Arbeitsweise des Demodulators ist es nur notwendig,
daß Träger und Seitenbänder getrennt zur Verfügung stehen.
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Patentansprüche: 1. Funkverfahren zur Entfernungsmessung in Verbindung
mit einer zur Richtungsbestimmung geeigneten Anlage, bei der senderseitig die beiden
Modulationsseitenbänder einer mit einer Modulationsfrequenz modulierten Trägerfrequenz
abgestrahlt und empfangsseitig aufgenommen und mittels der Trägerfrequenz demoduliert
werden und bei der die Phasendifferenz zwischen den Demodulationsprodukten des oberen
und unteren Seitenbandes gemessen wird, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e
t, daß der zur Demodulation erforderliche Träger (F) erst empfangsseitig erzeugt
wird, wozu in an sich bekannter Weise ein mit dem Trägeroszillator der Sendestation
synchron schwingender stabiler Oszillator (15) verwendet wird, so daß die Phasendifferenz
zwischen den beiden Demodulationsprodukten (f1) ein Maß für die Entfernung ist.
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2. Funkverfahren zur Ortsbestimmung durch BEreitstellung zweier Entfernungsmaße
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hierfür notwendigen zwei Sendestationen
(1, 2) die gleiche Trägerfrequenz (F), aber unterschiedliche Modulationsfrequenzen
(f1,f2) verwenden.