DE1274353B - Nach der Laufzeitmethode arbeitende Einrichtung zur Entfernungsmessung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIc

GOIs

Deutsche Kl.: 42 c-18

Nummer: 1274353

Aktenzeichen: P 12 74 353.2-52 (St 22255)

Anmeldetag: 13. Juni 1964

Auslegetag: 1. August 1968

Die Erfindung betrifft eine nach der Laufzeitmethode arbeitende Einrichtung zur Entfernungsmessung mit einem von einer Meßfrequenz sinusförmig modulierten Träger.

Zur Entfernungsmessung wird in Luft- und Raumfahrt die Laufzeit von elektromagnetischen Schwingungen ausgenutzt. Man kennt dabei Pulsverfahren und Dauerstrichverfahren (CW). So wird z. B. eine geeignete Trägerschwingung mit bestimmten Markierungen versehen. Die markierte Trägerschwingung wird ausgesendet, vom zu vermessenden Objekt empfangen und mit einer genau bekannten Zeitverzögerung in einem Antwortsender auf einen anderen Träger umgesetzt und zurückgesendet. Die Zeit, welche unter Berücksichtigung der bekannten Verzögerung im Antwortsender zwischen Aussendung und Empfang einer bestimmten Markierung vergeht, ist ein Maß für die Entfernung. Die Markierung, die auf den Träger mit einer geeigneten Modulationsart aufmoduliert wird, ist bei den bisher bekannten Verf ah- ao ren meist pulsförmig. Zur Erzielung großer Meßgenauigkeiten müssen die Flanken der Pulse steil sein. Das bedingt jedoch sehr große Bandbreiten. Einige neuere Systemvorschläge gehen von dem Pulsverfahren ab. In ihnen wird der Träger mit einer Meßfrequenz sinusförmig moduliert. Die Entfernungsmessung wird dadurch auf eine Phasenmessung zurückgeführt. Eine Phasenmessung kann gut auf 1 °/o genau durchgeführt werden. Wenn man also eine bestimmte Entfernungsmeßgenauigkeit, ζ. Β. auf 100 m genau vorschreibt, dann ergibt sich daraus der maximal eindeutige Entfernungsbereich, nämlich 100 X 100= 10 000 m.

Bei größeren Reichweiten ist dieses Verfahren dann nicht mehr eindeutig, und man muß unter Umständen mehrere Meßfrequenzen verwenden. Dabei tritt neben den Nachteil eines verhältnismäßig großen Geräte- und Bandbreitenbedarfs die Schwierigkeit, die verschiedenen Werte in der richtigen Weise, d. h. eindeutig einander zuzuordnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die außer der großen Maßgenauigkeit auch eine große Reichweite hat und weiterhin sehr schnell ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Anordnung vorgesehen ist, die in bestimmten Zeitabständen in die sinusförmige Meßfrequenz zusätzliche Markierungen einfügt, daß ein Zähler vorgesehen ist, der beim Aussenden einer Markierung an einen Impulsgeber angeschaltet und beim Empfang wieder stillgesetzt wird und daß die Zählerstellung den Wert der Grobmessung und mit dem gleichzeitig in an sich bekannter Weise Nach der Laufzeitmethode arbeitende
Einrichtung zur Entfernungsmessung

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft,
7000 Stuttgart-Zuffenhausen,
Hellmuth-Hirth-Str. 42

Als Erfinder benannt:

Manfred Böhm, 7120 Bietigheim

durchgeführten Phasenvergleich, der den Feinmeßwert liefert, den Gesamtmeßwert darstellt.

Wenn die Meßspannungen stark gestört, z. B. verrauscht sind, kann der Fall eintreten, daß bei Entfernungen, die in der Nähe des Überganges von einem Grobbereich zum nächsten liegen, der falsche Grobbereich festgehalten wird und damit ein falscher Wert angezeigt wird. Die Feinmessung ist gegenüber Störungen weniger empfindlich, da die Feinmeßfrequenz im Mittel z. B. lOOfach höher ist als die Wiederholungsrate der Markierungen. Phasenschwankungen werden also ausgemittelt.

Um diesen Fehler zu vermeiden, besteht eine weitere Ausbildung der Erfindung darin, daß beim Empfang der Markierung im Gebiet des Überganges von einem Grobbereich auf den nächsten die Stellung des Feinmeßwertes abgefragt wird und aus diesen beiden Werten gegebenenfalls ein Korrekturkriterium für den Grobwert abgeleitet wird. Die Erfindung wird nun an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Impuls-Diagramm der kombinierten Entfernungsmessung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur kombinierten Entfernungsmessung,

F i g. 3 ein Schaltbild einer Einrichtung zur kombinierten Entfernungsmessung mit Korrektur der Grobwerte,

F i g. 4 ein Impuls-Diagramm für die Einrichtung nach Fig. 3,

Fi g. 5 ein Schaltbild einer logischen Schaltung zur Berichtigung des Zählerstandes und

F i g. 6 ein Schaltbild einer weiteren Einrichtung zur Berichtigung des Zählerstandes.

F i g. 1 zeigt unter a) die mit einem Quarzoszillator üblicher Konstanz erzeugte sinusförmige Meßfrequenz, deren Größe sich nach der erforderlichen

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Meßgenauigkeit richtet. In diese Sinusschwingung werden in bestimmten Abständen, die z. B. durch einen Zähler festgelegt werden und 100 oder 1000 Wellenzüge betragen, Markierungen durch Unterdrückungen einiger Wellenzüge eingeblendet. Diese Markierungen erfolgen ohne Phasensprung der Meßfrequenz. Es werden so Störungen der Analog-Feinmessung vermieden. Im Prinzip könnte auch ein beliebiges Zeitglied verwendet werden. Es treten dann zwar Phasensprünge auf, die jedoch im Mittel die analoge Phasenmessung dann nicht merklich verfälschen, wenn die Zahl der Schwingungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Markierungen genügend groß ist.

Mit der Rückflanke einer Markierung bzw. deren Nulldurchgang wird ein Impuls erzeugt, wie es in F i g. 1 unter c) dargestellt ist. Mit diesem Impuls wird dann ein Entfernungszähler freigegeben.

Die markierte Schwingung wird ausgesendet und von einem Antwortsender, dessen Entfernung bestimmt werden soll, empfangen und wieder zurückgesendet. Die empfangene Schwingung b) in F i g. 1 wird mit der ausgesendeten in einer Phasenbrücke verglichen. Die eingeblendeten Markierungen verfälschen dabei wegen ihres großen Abstands das Ergebnis nicht. Das Ergebnis ist der Feinwert, der unter e) in F i g. 1 mit z. B. 90 Grad angegeben ist. Die Markierungen der empfangenen Schwingungen werden ebenso ausgewertet wie die ausgesendeten. Der gewonnene Impuls F i g. 1 d) hält den Zähler an, das Zählergebnis, siehe Fig. 1 unter e) Grobwert 4, entspricht dem Grobwert der Entfernung. Die Summe von Grob- und Feinwert ist dann der Gesamtwert. Diese Messung wird laufend wiederholt.

Eine Ausführungsmöglichkeit für eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in Blockform in der F i g. 2 dargestellt. Die in diesem Blockschaltbild angegebenen Kleinbuchstaben verweisen auf die entsprechenden Impuls-Diagramme der Fig. 1. Eine Schwingung der geforderten Frequenz wird in dem Oszillator Osz erzeugt und über die Markierschaltung M zum Sender SX gegeben. Vom Sender 51 wird die Schwingung mit der Markierung zu dem Antwortsender Et/Sl übertragen und von diesem sofort nach der erforderlichen Frequenz-Umsetzung zurückgesendet und vom Empfänger E 2 aufgenommen. Die Oszillator-Schwingung wird außerdem noch auf einem Pulsformer PF gegeben, und die Impulse betätigen dann einen Zähler Sz, der veranlaßt, daß nach z.B. 100 Schwingungen in der Markierschaltung M die Markierung eingefügt wird. Weiterhin werden die geformten Pulse an eine Torschaltung Tor angelegt. Das gesendete Signal wird dem Phasenmesser FM zugeführt, sowie einem Impulsbildner Ib. Dieser Impulsbildner formt entsprechend den Markierungen Impulse. Bei einer gesendeten Markierung wird durch den Impulsbildner die Torschaltung Tor geöffnet, und die Impulse vom Pulsformer können auf den Entfernungszähler Z gelangen.

Das empfangene Signal wird ebenfalls auf den Phasenmesser und auf den Impulsbildner' gegeben. Bei Empfang einer Markierung wird die Torschaltung Tor wieder gesperrt, und aus dem Entfernungszähler Z kann jetzt der Grobwert G entnommen werden. Der Feinwert F wird dem Phasenmesser entnommen. Nach der Ablesung, die automatisch geschehen kann, wird der Zähler bei geschlossenem Tor zurückgestellt.

Die wiederempfangene Schwingung kann verrauscht oder in andere Weise gestört sein. Infolgedessen kann auch der Stillsetzimpuls für den Zähler zeitlich schwanken. Die Nulldurchgänge der Meßfrequenz schwanken zwar ebenso, doch spielt das eine geringe Rolle, da wegen der großen Zahl von Wellenzügen eine Ausmittelung erfolgt. Wenn in der unmittelbaren Nähe des Überganges von einem Grobbereich zum nächsten der Zähler durch eine verrauschte Markierung zu früh oder zu spät stillgesetzt wird, erhält man einen um eins zu kleinen oder zu großen Zählerwert. Man könnte auch für die Grobmessung eine Mittelung durchführen. Wegen der erheblich kleineren Zahl von Markierungen wäre diese Mittelung jedoch weniger wirksam bzw. benötigte entsprechend mehr Zeit. Da außerdem die Grobmessung digital ausgewertet wird, wäre eine Mittelwertbildung recht aufwendig. Um diese Fehler in der Nähe des Überganges von einem Grobbereich zum nächsten berichtigen zu können, ist eine Schaltung nach F i g. 3 vorgesehen.

In dieser Schaltung, die zum Teil als Blockschaltbild ausgeführt ist, sind logische Schaltungen verwendet. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden für die Signale jetzt nur die binären Begriffe 0 und 1 verwendet. Zur Vereinfachung der Darstellung ist ein Teil der in Fi g. 2 einzeln dargestellten Anordnungen zum Taktgeber TG zusammengefaßt worden.

Von diesem Taktgeber werden sowohl der Zähler Z als auch die Aussendung der Signalfrequenz gesteuert. In der Aufbereitungsschaltung Aufb wird die für die Phasenmessung erforderliche Signalwelle abgeleitet und aus der empfangenen Schwingung in dem Block Auswertung Ausw ebenfalls die Schwingung zur Feinmessung abgeleitet. Die Feinmessung geschieht in der Feinmeßeinrichtung Fm. Von dieser wird eine Kontaktscheibe KS, die eine leitende Spur vom halben Umfang und zwei um 180° versetzte Abgriffe α und b aufweist, mechanisch auf den Feinwinkel eingestellt.

' In der F i g. 4 ist unter a) der Zähltakt dargestellt, der normale Quarzstabilität haben muß. Seine positiven Flanken schalten jeweils den Zeitzähler weiter. Wenn der Stopimpuls, d. h. eine empfangene Markierung, in die Mitte zwischen den Übergängen von benachbarten Grobbereichen fällt, dann besteht keine Gefahr der Verfälschung. In der Nähe der Übergänge ist diese Gefahr jedoch gegeben. Wie breit der kritische Bereich ist, hängt von Art und Größe der Störung ab. In der F i g. 4 wurde ein kritischer Bereich von ± 90 Grad gewählt, der schraffiert wurde. Tatsächlich wird im allgemeinen dieser Bereich nicht so breit sein. Seine Einengung ist leicht möglich. Es ist nun leicht einzusehen, daß der angezeigte Wert richtig ist, wenn der Stopimpuls in die linke Hälfte eines schraffierten Bereiches fällt und gleichzeitig die Feinmessung einen Wert zwischen 270 und O⁰' ergibt. Ebenso ist der angezeigte Wert richtig, wenn der Stopimpuls in die rechte Hälfte eines schraffierten Bereiches fällt und gleichzeitig die Feinmessung einen Wert von 0 bis 90° zeigt. Andererseits ist die Grobanzeige aber bestimmt um eine Einheit falsch, wenn bei einer Feinanzeige von 0 bis 90° der Stopimpuls in die linke Hälfte eines schraffierten Bereiches fällt bzw. wenn bei einer Fernanzeige von 270 bis 0° der Stopimpuls in die rechte Hälfte eines schraffierten Bereiches fällt. Im ersten Fall erhält man den richtigen Wert, wenn man den Zählerwert um eine Ein-

heit vergrößert, im zweiten Fall muß der Zählerwert um eine Einheit verkleinert werden.

In dem schraffierten Bereich werden nun nacheinander die Torschaltungen Tor 1 und Tor 2 in Zusammenwirkung mit Scheibe KS betätigt. Die mögliehe Öffnungszeit für das Tor 1 ist in F i g. 4 unter d) und die für das Tor 2 unter e) dargestellt. Diese Öffnungszeiten für diese beiden Torschaltungen werden durch Zusammenwirken der Takte a, b, c erreicht. Dabei wird nur geöffnet, wenn die UND-Schaltungen Ul oder i/2 durch Anlegen des Signals 1 von KS leitend werden.

Zur weiteren Erläuterung der Arbeitsweise sei jetzt angenommen, daß der Abschalteimpuls in die linke Hälfte des schraffierten Bereiches fällt und daß die Kontaktscheibe auf einen Wert zwischen 270 und 0° eingestellt ist. In dieser Stellung wird von der Kontaktscheibe KS, Abgriff α ein Signal 0 abgegeben und an die UND-Schaltung Ul angelegt. Entsprechend liegt über Abgriff b Signal 1 an UND-Schaltung U 2. Da angenommen wurde, daß der Stillsetz-Impuls, der auch ein Signal 1 darstellen soll, im linken schraffierten Teil auftritt, kann er Tori nicht passieren, da dieses wegen der nicht erfüllten UND-Bedingung gesperrt bleibt. Für Tori ist die UND-Bedingung in der rechten Hälfte erfüllt, Tor 2 ist während dieser Zeit geöffnet, während der aber kein Impuls eintrifft. An den Ausgängen der beiden Flip-Flop-Schaltungen FFl und FF 2 bleibt also das Signal 0 bestehen und am Ausgang I, der über eine invertierende ODER-Schaltung 03 angeschlossen ist, bleibt das Signal 1. Dieses Signal am Ausgang I sagt aus, daß der Zählerstand nicht geändert zu werden braucht. (Wenn einer der Ausgänge II und III das Signal 1 aufweist, hat Ausgang I das Signal 0 und unterbricht damit die direkte Durchschaltung des Zählers auf die Ausgänge A in F i g. 5.)

Der empfangene Stopimpuls steuert außerdem den Taktgeber und eine Freigabeeinrichtung Fr, die nach einer gewissen Zeitverzögerung den Zählerstand mit entsprechender Berichtigung über den Ausgang IV freigibt. Über den Eingang St wird dann der Taktgeber und eine Rückstelleinrichtung Rü wieder gesteuert, die die notwendigen Vorgänge für die nächste Messung einleitet.

Würde der Stopimpuls in die rechte Hälfte des schraffierten Bereiches fallen und der Feinmeßwert einen Wert zwischen 270 und 0° anzeigen, so würde der Stopimpuls über das geöffnete Tor 2 die Flip-Flop-Schaltung FF 2 umwerfen. Am Ausgang II würde das Potential also von 0 nach 1 wechseln. Gleichzeitig wird über die invertierende ODER-Schaltung 01 das Signal am Punkt I auf den Wert 0 gebracht. Ein Signal am Ausgang II besagt, daß der Grobwert um eine Einheit zu groß ist und der Zäh- !erstand also verringert werden muß. Gleichzeitig wird die direkte Durchschaltung des Zählerstandes auf die Ausgänge A gesperrt.

Liegt der Feinmeßwert jedoch zwischen 0 und 90°, so wird von der Kontaktscheibe KS von Abgriff α ein Signal 1 an Ul und von b ein Signal 0 an U 2 abgegeben. Fällt der empfangene Stopimpuls jetzt in den linken schraffierten Teil, so wird er über die Torschaltung Tor 1 durchgelassen, da für Ul die UND-Bedingung erfüllt ist. Die Flip-Flop-Schaltung FFl kippt und am Ausgang III liegt jetzt das Signal 1 an. Über die invertierende ODER-Schaltung 01 erhält man jetzt am Ausgang I das Signal 0. Fällt der Stopimpuls jedoch in den rechten Teil des schraffierten Bereiches, so wird er über Tor 2 nicht durchgelassen, da für U 2 die UND-Bedingung nicht erfüllt ist. Die Flip-Flop-Schaltung FF 2 wird nicht beeinflußt und das Signal 1 am Ausgang I bleibt bestehen.

Für den Fall, daß der empfangene Grobimpuls in den nicht schraffierten Bereich fällt, wird unabhängig von der Stellung der Feinmeßeinrichtung der Zählerwert unverändert angezeigt, da kein Impuls auf die Flip-Flop-Schaltungen gelangt.

Zur Korrektur des Zählerwertes kann eine Diodenschaltung verwendet werden, wie sie z. B. in Fig. 5 dargestellt ist. In der Reihe Z sind mit 0 bis 6 die Eingänge vom Zähler dargestellt. Die Eingänge I bis IV stellen die Ausgänge der in F i g. 3 beschriebenen Schaltung dar.

Es sei angenommen, daß am Ausgang 3 des Zählers das Signal 1 liegt. Soll der Zählerwert nicht geändert werden, so liegt am Eingang I ebenfalls das Signal 1. Kommt jetzt über die Leitung IV ein Freigabeimpuls, so wird die UND-Schaltung 1 leitend und dann auch die UND-Schaltung 7. Über die ODER-Schaltung 27 kann das Signal dann am Ausgang 3 der Anzeige A abgenommen werden. Liegt andererseits am Eingang II ein Signal an, so wird mit der Freigabe die UND-Schaltung 3 leitend und läßt zusammen mit dem Signal am Eingang 3 die UND-Schaltung 20 leitend werden. Das Signal wird dann über die ODER-Schaltung 26 am Ausgang 2 angezeigt. Läge das Signal am Eingang III, dann würde die UND-Schaltung 14 leitend und der Zählerwert über ODER-Schaltung 28 als 4 angezeigt.

F i g. 6 zeigt eine weitere Anordnung, bei der ein binärer Zähler Z verwendet wird, der vorwärts und rückwärts zählen kann. Dieser Zähler wird vom Taktgeber TG gesteuert. Über die beiden Torschaltungen 1 und 2, die der F i g. 3 entsprechen, wird der Zähler jetzt um eins entweder vor- oder zurückgestellt. Das Zählergebnis wird in einem Codewandler CW von binär auf dezimal umgewandelt und dann über eine Freigabeschaltung Fr zur Anzeige gebracht.

Alle Schaltungen sind als Beispiele zu betrachten, ebenso die skizzierte Markierung. Aus Gründen des Fehlerschutzes kann es z. B. zweckmäßig sein, die Markierung in codierte Form als bestimmte Folge von Wellenausblendungen auszubilden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Nach der Laufzeitmethode arbeitende Einrichtung zur Entfernungsmessung mit einem von einer Meßfrequenz sinusförmig modulierten Träger, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung (PF, Sz, M) vorgesehen ist, die in bestimmten Zeitabständen in die sinusförmige Meßfrequenz zusätzliche Markierungen einfügt, daß ein Zähler (Z) vorgesehen ist, der beim Aussenden einer Markierung an einen Impulsgeber (PF) angeschaltet und beim Empfang wieder stillgesetzt wird und daß die Zählerstellung den Wert der Grobmessung und mit dem gleichzeitig in an sich bekannter Weise durchgeführten Phasenvergleich, der den Feinmeßwert liefert, den Gesamtmeßwert darstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Empfang der Markierung im Gebiet des Überganges von einem Grob-

bereich auf den nächsten die Stellung des Feinmeßwertes abgefragt wird und aus diesen beiden Werten ein Korrekturkriterium für den Grobwert abgeleitet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Torschaltungen (Tori, Ul, Tor 2, U2) vorgesehen sind, die im Gebiet des Übergangs von einem Grobbereich auf den nächsten nacheinander vorbereitet werden und die weiterhin vom Feinmeßwert beeinflußt werden und daß der eintreffende Markierungsimpuls über die durch das Zusammenwirken von Vorbereitung und Feinmeßwerk leitende Torschaltung auf logische Schaltglieder (FFl, FF2) gegeben wird, und daß das von den logischen Schaltgliedem abgegebene Signal korrigierend auf den Zählerstand des Grobwertes einwirkt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmesser (FM) für

den Feinwert eine Kontaktscheibe (KS) steuert, die in einem oder mehreren Winkelbereichen eine erste Spannung und in einem oder mehreren anderen Winkelbereichen eine zweite Spannung abgibt, und daß von zwei um 180° versetzten Abgriffen (a, b) die beiden Spannungen zur Beeinflussung von logischen Schaltungen entnommen werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1134 323;

schweizerische Patentschrift Nr. 282117;

Zeitschrift für Instrumentenkunde 67 (1959), Heft 5, S. 130 bis 134;

Nachrichten aus dem Karten- und Vermessungswesen, Reihe III, Heft 2, Frankfurt 1957, S. 7 bis 21.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1205 717.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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