DE2130400A1 - Verfahren zum Auswerten von HF-Impulsen in einem Funknavigationsempfaenger - Google Patents

Description

Patentanwalt

Dipl.-Phys. Leo Thul

Stuttgart Z I 30400

J.P.Van Etten-^

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Verfahren zum Auswerten von HP-Impulsen in einem Punknavigationsempfänger

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten von HP-Impulsen in einem Punknavigationsempfänger, insbesondere einem Loran C-Empfänger, wobei jeder empfangene Impuls aus einem ungestörten Teil und einem gestörten Teil besteht, bei dem aus dem ungestörten Teil des Impulses durch Abtastung ein Amplitudenwert gewonnen und eine im Empfänger erzeugte Schwingung in Frequenz und Phase nachgeregelt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus verschiedenen Literaturstellen bekannt, die weiter unten erwähnt werden.

Loran ist ein Hyperbel-Navigationsverfahren, bei dem der Standort durch zwei sich schneidende Hyperbeln bestimmt wird. Dies erreicht man, indem man den Unterschied der Ankunftszeiten von zwei Pulspaaren mißt, die von drei Bodenstationen abgestrahlt werden. Die Bodenstationen werden als Hauptsender, Mebensender X und Nebensender Y bezeichnet. Wie in Pig. I gezeigt, ist die Hyperbel A durch das X minus M Paar, die Hyperbel B durch das Y minus M Paar bestimmt. Ein Empfänger R, der Signale von einem Hauptsender und zwei Nebensendern empfängt,kann genau seinen Standort ermitteln, der sich am Schnittpunkt R der beiden Hyperbeln befindet.

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Jede Station sendet zu genau festgelegten Zeitpunkten Hochfrequenzimpulse aus. Ein Impuls, der vom Hauptsender ausgesendet wurde, wird vom Nebensender X empfangen, und dieser wird dann auf den Hauptsender synchronisiert und sendet dann seinen eigenen Impuls eine vorgegebene Zeit später aus. Der Nebensender Y, der ebenfalls auf den Hauptsender synchronisiert ist, sendet seinen Impuls eine vorgegebene Zeit nach dem Empfang des Signales vom Nebensender X aus, um Zweideutigkeiten zu vermeiden.

Die Trägerfrequenz der Loran C Impulse beträgt 100 KHz und sie werden in Gruppen zu acht Impulsen ausgesendet, und zwar zwischen 10 und 25 Gruppen pro Sekunde. Die Impulse in einer Gruppe haben einen Abstand von einer Millisekunde. Ein einzelner Loran C Impuls ist in Fig. 2 dargestellt. Eine ausführliche Beschreibung des Loran C Verfahrens findet sich in dem Buch: "Punkortungssysteme für Luft- und Seefahrt'', Verlag Dr.Borgmann, Dortmund, I962, S.145 ff.

Eine ausführliche Beschreibung eines Loran C Empfängers findet sich in dem Aufsatz von R.A.Reilly: "Microminiature Loran C Receiver" IEEE Transactions on AeroSpace and Electronic Systems, Volume AES-2, No.1, S. Ik...88, Januar 1966.

Das Loran C Verfahren konnte seither nur für Schiffe und langsam fliegende Plugzeuge verwendet werden. Es zeigte sich, daß sich das Verfahren, das eine Frequenz- und Phasenregelschleife, wie in Fig. ^a gezeigt, verwendet, nicht für schnelle Flugzeuge eignet, bei denen große Geschwindigkeitsänderungen auftreten, da sich große Standortfehler ergaben. Abhilfe kann man hier mit einem Trägheitssystem schaffen, aus dem Korrektursignale in die Regelschleife eingeführt werden, wodurch das dynamische Verhalten der Regelschleife verbessert wird. Trägheitssysteme sind jedoch teuer und können wegen ihrer Größe in kleinen Flugzeugen nicht verwendet werden.

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Ein Grund, warum die Regelschleife Geschwindigkeitsänderungen des Flugzeuges nicht folgen kann, liegt darin, daß die empfangenen HF-Impulse etwa 25 Microsekunden nach Impulsbeginn abgetastet werden. Zu diesem Zeitpunkt ist die Amplitude des gesendeten und damit auch des empfangenen Impulses nur 50 ,£# der Maximal amplitude. Die Abta*ung 25 Microsekunden nach Impulsbeginn erfolgt, um sicherzustellen, daß das abgetastete Signal ungestört ist. Störungen treten etwa 50 Microsekunden nach Impulsbeginn auf und sie rühren von der verzögert empfangenen Raumwelle her. Da der Laufweg eines Impulses vom Sender zum Empfänger sich aus verschiedenen Gründen z.B. wegen der unterschiedlichen Höhe der Ionosphäre bei Tag und bei Nacht ändert, können genaue Standortbestimmungen mit einem durch Raumwellen gestörten Signal nicht vorgenommen werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile der bekannten Impulsauswertung zu vermeiden und das Verfahren so abzuändern, daJ3 es sich auch für den Einsatz in Flugzeugen eignet, bei denen große Geschwind!gkeitsänderungen auftreten, ohne daß dabei die Ortungsgenauigkeit verkleinert wird.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Bandbreite der Regelschleifen und damit zur Verkleinerung von Navigationsfehlern aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen des Fahrzeuges der aus dem ungestörten Teil gewonnene Amplitudenwert den Zeitpunkt einer zusätzlichen Abtastung im gestörten Teil- in der Nähe der Maximalamplitude bestimmt und daß der so gewonnene Wert zur Frequenz- und Phasenregelung verwendet wird.

Es wird hierbei der bei der Abtastung im ungestörten Teil gevjonnene Amplitudenwert als stabiler Bezugspunkt zur Standortbestimmung verwendet, und der Amplitudenwert aus der Abtastung im gestörten Teil des Impulses zur Korrektur des Standortfehlers, der von Geschwindigkeitsänderungen des Fahrzeuges herrührt.

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Durch die Abtastung in oder bei der Maximalamplitude ist es möglich, das Nutz/Störungssignalverhältnis mindestens viermal größer zu machen als bei der Abtastung 25 Microsekunden nach Itnpulsbeginn und infolgedessen kann die Bandbreite der Regelschleifen sechzehnmal größer gemacht werden und die Fehler, die sich aufgrund der Plugzeugbeschleunigung ergeben, werden um den Paktor 256 verringert.

Die Erfindung wird nun beispielsweise anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Hyperbelstandlinien, die sich aus den Abstrahlungen des Hauptsenders und der Nebensender X und Y ergeben;

Fig. 2 einen Loran C Impuls;

Fig. 3a und

3b Blockschaltbilder von der bekannten Regelschleife;

Fig. 4 ein ausführlicheres Blockschaltbild der Anordnung nach Fig. 3a;

k Fig. 5a und

5b Blockschaltbilder der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung;

Fig. 6 ein genaueres Blockschaltbild der Anordnung nach Fig. 5b.

Die typische Regelschleife, die in bekannten Loran C Empfängern verwendet wird, ist in Fig. 3a gezeigt. Ein Oszillator 1 erzeugt eine Schwingung mit einer Frequenz von 10 MHz, die auf eine Zeitschaltung 2 gegeben wird, die die Frequenz teilt

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und einen Abtastimpuls abgibt, der auf einen Phasendetektor 3 gelangt. Der Phasenabtastimpuls wird etwa 25 MicroSekunden vom Impulsbeginn verzögert und er hat eine Frequenz von etwa 1 KHz. Diese Frequenz dient als Abtastimpuls für jeden HF-Signalimpuls in einer Gruppe, die vom Haupt- und den Nebensendern empfangen wird. Das HF-Signal gelangt auf den anderen Eingang des Phasendetektors 3 und es wird während der Dauer des Phasenabtastimpulses abgetastet. Der Phasendetektor kann ein normaler Zerhacker-Verstärker oder ein Vergleicher sein, wie er in dem Buch "Transistor Circuit Design", Copyright l°/6j5 by Texas Instruments, Inc., beschrieben ist. Derartige Phasendetektoren versuchen, einen Nulldurchgang im abfallenden Teil des dritten Zyklusses (ungestörter Teil) jedes HF-Impulses zu erkennen, wie in Fig. 2 gezeigt. Erkennt der vom Abtastimpuls aktivierte Phasendetektor keinen Nulldurchgang, dann gibt er ein Fehlersignal an den mit 4 bezeichneten Servo-Typ II. Der Servo-Typ II ist in der Veröffentlichung von Reilly, die oben erwähnt wurde, ausführlich beschrieben.

Auf den Servo-Typ II gelangen sowohl das Signal vom Hauptsender als auch das Signal vom Nebensender X. Ein vom Hauptsendersignal herrührender Teil M, des Ausgangssignals des Servo-Typs II gelangt zum Oszillator 1, um dessen Frequenz auf die Frequenz des vom Hauptsender empfangenen Impulses einzuregeln. Ein anderer Teil M_p des verarbeiteten Fehlersignales vom Hauptsender und das verarbeitete Fehlersignal Sx vom Nebensender X gelangt zur Zeitschaltung 2, um die Verzögerung des Phasenabtastimpulses derart einzustellen, daß, wenn der Phasenabtastimpuls zum Phasendetektor 3 zurückgeführt wird, der Phasendetektor 3 einen Nulldurchgang zum Zeitpunkt d erkennt, wie in Fig. 2 dargestellt. Wenn die Regelschleife ihre Aufgabe beendet hat und alle Fehler innerhalb der Schleife eliminiert hat, wird eine Zeitentfernungsmessung (TDM) 5 von der Zeitschaltung 2 vorgenommen. Diese Zeitentfernungsmessung zeigt den Laufzeitunterschied zwischen dem Signal vom Hauptsender und dem Signal vom Nebensender X an, womit einer der Punkte der Hyperbel A,

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wie in Pig. 1 gezeigt, bestimmt wird. Eine ähnliche Regelschleife ist für den Empfang des Signales vom Nebensender Y und das Signal vom Hauptsender vorgesehen, die die zweite Hyperbel B ergibt, die die erste Hyperbel A im Punkte R schneidet. Dies ist der Ort, an dem sich das Plugzeug befindet, wie in Fig. 1 gezeigt.

Pig. 3b zeigt die getrennte Verarbeitung der Signale vom Haupt- und vom Nebensender. Hierzu dienen Phasendetektoren 3a und 3b, deren Ausgangssignale zum Servo-Typ II gelangen. Die Fehlersignale, die vom Hauptsender und vom Nebensender X herrühren, gelangen getrennt in die Zeitschaltung 2, um getrennt die Verzögerung von einzelnen Phasenabtastimpulsen M und Sx einzustellen, die zum aktivieren der zugeordneten Phasendetektoren 3a und 3b verwendet werden. Man kann auch mit Zeitmultiplextechnik arbeiten, so daß nur ein Phasendetektor notwendig ist.

Ein ausführlicheres Blockschaltbild der Anordnung nach Figur 3b ist in Fig. 4 gezeigt. Die Fig. 4 ist aus den Blockschaltbildern für die Hauptregelschleife und für die Nebenregelschleife zusammengesetzt, die in den Fig. 10a und 10b auf Seite 80 des Aufsatzes von R.A.Reilly., der oben erwähnt ist, gezeigt sind. Der Ausgang des Frequenzteilers der Fig.10b ist direkt mit den UND-Schaltungen der Fig. 10a verbunden. Die Bemeßungsangaben und die Wirkungsweise der einzelnen Blöcke ist in dem Aufsatz enthalten. Der Schleifenglättungsteiler, der Geschwindigkeitsglättungsteiler, der Proportionalteiler, der Proportionalglättungsteiler und der Geschwindigkeitszähler können aus geeigneten Zählerschaltungen aufgebaut v/erden, die in dem Buch von Millmann & Taub ''Pulse, Digital and Switching Waveforms'¹, Mc Graw Hill, Inc., 1965, beschrieben sind. Der Geschwindigkeitsakkumulator und der Hauptphasenakkumulator können aus üblichen Flip-Flops aufgebaut werden.

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Pig. 5a ist die gemäß der Erfindung abgewandelte Pig. Es ist dort eine Geschwindigkeitsregelschleife 6 zwischen dem Ausgang der Zeitschaltung 2 und dem Eingang des Phasendetektors 7, der jetzt als Geschwindigkeitsdetektor bezeichnet ist, vorgesehen. Der Geschwindigkeitsdetektor 7 ist schaltungsmäßig gleich (Zerhackerverstärker) wie der Phasendetektor 3 j der Unterschied besteht darin, daß der Abtastimpuls, der zum Geschwindigkeitsdetektor gelangt, zusätzlich verzögert wurde, um den HP-Impuls am oder in der Nähe des Maximalwertes abzutasten. Es wird somit im Geschwindigkeitsdetektor 7 der durch die Raumwelle gestörte Teil des HP-Impulses abgetastet, während der Phasendetektor 3 den unge- μ störten Teil des HF-Impulses abtastet.

In Fig. 5b sind getrennte Geschwindigkeitsdetektoren Ja. und 7b und getrennte Geschwindigkeitsregelschleifen 6a und 6b vorgesehen für die Verarbeitung der HF-Impulse, die vom Hauptsender und vom Nebensender X kommen. Der Oszillator 1, die Zeitschaltung 2 und der Servo-Typ II sind gleich, wie im Zusammenhang mit den Fig. 3a> 3b und 4 beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß die UND-Schaltung in der Nebenregelschleife die zwischen dem Geschwindigkeitsakkumulator und dem Geschwindigkeitszähler in Fig. 4 liegt, in den Anordnungen nach der Erfindung (Fig. 5a* 5b und 6) weggelassen werden kann.

Fig. 6 zeigt ein ausführlicheres Blockschaltbild der Anordnung nach Pig. 5b. Mit Ausnahme der Geschwindigkeitsregelschleife 6 entspricht Fig. 6 der Fig. 4. Der Hauptphasenabtastimpuls, der von der Zeitschaltung ? geliefert wird, ist gleich wie der Hauptphasenabtastimpuls,der von den Regelschleifen nach den Fig. 3a, 3b und 4 geliefert wird. Dieser Abtastimpuls tritt ?5 Microsekunden nach dem Beginn eines empfangenen HF-Impulses auf. Der Hauptphasenabtastimpuls gelangt gleichzeitig auf dem Block 8a, der zur Phasen/Geschwindigkeitsabtastverzögerung dient, und auf den Phasendetektor 9a. Der HF-Impuls vom Hauptsender gelangt auf den Phasendetektor 9^a und dort wird mittels des Hauptphasenabtastimpulses der unge-

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störte Teil des Impulses vom Hauptsender abgetastet. Die Phasendetektoren 9a und 9b können ebenfalls als Zerhackerverstärker aufgebaut sein. Der HF-Impuls vom Hauptsender wird im Phasendetektor 9a abgetastet, um einen stabilen Bezugspunkt beim Nulldurchgang im absteigenden Ast des dritten Zyklusses des HP-Impulses zu schaffen, wie in Fig. 2 dargestellt. Das erkannte Fehlersignal wird, sofern kein Nulldurchgang festgestellt wurde, in den Fehlerakkumulator 10a gegeben, der einfach ein Kondensator sein kann, der eine Analogspannung speichert. Das Fehlersignal vom Fehlerakkumulator 10a gelangt dann in den Phasen/Geschwindigkeitsabtast-■ Verzögerungsblock 8a. Dieser Phasen/Geschwindigkeitsabtastverzögerurigsblock 8a kann z.B. eine Phantastron-Schaltung sein, die in dem Buch von' Strauss ^!lWave Generation and Shaping*' , Mc Graw"Hill, Inc., i960, beschrieben ist. Man kann auch ein veränderliches digitales Verzögerungsglied verwenden. Diese Schaltung verzögert den Hauptphasenabtastimpuls zwischen 97 und 113 Microsekunden vom Beginn des Haupt-HF-Impulses aus gerechnet, oder anders ausgedrückt, um 72 bis 88 Microsekunden vom Hauptphasenabtästimpuls aus gerechnet, der 25 Microsekunden nach Impulsbeginn auftritt. Die Veränderung der Verzögerung des verzögerten Phasen/Geschwindigkeitsabtastimpulses wird vom Fehlersignal, das im Fehlerakkumulator lOa gespeichert ist, gesteurt, derart, daß die sich schließlich ergebende Phasen/Geschwindigkeitsabtastverzögerung so eingeregelt wird, daß der Nulldurchgang am Abtastpunkt d (Fig. 2) zu dem Zeitpunkt auftritt, wenn der Phasenabtastimpuls von der Zeitschaltung 2 auftritt. Der verzögerte Phasen-Geschwindigkeitsabtastimpuls, den die Phasen/ Geschwindigkeitsabtastverzögerung 8a liefert, wird dann auf den Geschwindigkeitsdetektor 7a zurückgeführt, um den gestörten Teil des HF-Hauptimpulses bei einem Nulldurchgang bei oder in der Nähe des Maximalwertes der Amplitude (Punkt e, Fig. 2) abzutasten.

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Wird kein Nulldurchgang erkannt, dann gelangt ein Fehlersignal auf den Analog/Digitalwandler des Servo-Typs II, wodurch die Oszillatorfrequenz und der Hauptphasenabtastimpuls,der von der Zeitschaltung 2 erzeugt wird, so eingeregelt wird, daß schließlich sichergestellt ist, daß der verzögerte Phasen/Geschwindigkeitsabtastimpuls den empfangenen HF-Hauptimpuls in einem Nulldurchgang bei oder in der Nähe des Maximalwertes der Amplitude abtastet. Für die Verarbeitung der HF-Impulse vom Nebensender Sx sind identische Blöcke vorhanden, nämlich Phasen/Geschwindigkeitsabtastverzögerung 8b, Fehlerakkumulator lOb und Phasendetektor 9b. Nachdem Nulldurchgänge an den Ausgängen der Geschwindigkeitsdetektoren 7a und 7t> und der Phasendetektoren 9a und 9b erkannt wurden, liefert der Servo-Typ II in Verbindung mit den Zeitschaltungen eine Zeitentfernungsmessung (TDM)5 aufgrund des im Zeitdifferenzakkumulator gespeicherten Wertes. Diese Messung liefert eine der Hyperbelstandlinien (Hyperbel A, Fig. 1), die zur Bestimmung des Standortes des Flugzeuges erforderlich ist.

Zur Bestimmung der zweiten Hyperbelstandlinie muß die Anordnung nach Fig. β noch einmal die gleichen Bauteile erhalten, die zur Verarbeitungdss Signales vom Nebensender Sx dargestellt sind. Die zweite Zeitentfernungsmessung liefert dann die Hyperbel B (Fig. 1), die die Hyperbel A am Standort des Empfängers R schneidet. Da die Geschwindigkeitsdetektoren 7a, 7b und der nicht gezeigte Geschwindigkeitsdetektor für den Nebensender SY die ankommenden Signale vom Hauptsender und von den Nebensendern X und Y bei oder in der Nähe des Maximalamplitudenwertes erfassen (und nicht 25 Microsekunden nach Impulsbeginn wie beim Stand der Technik), ist das Nutz/Störsignalverhältnis mindestens viermal größer als ohne die Geschwindigkeitsregelschleife und die Bandbreite der Regelschleifen kann infolgedessen sechzehnmal größer bei gleicher Störempfindlichkeit sein . Wenn die Bandbreite des Servos sechzehnmal größer ist, werden die Fehler, die aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen des Flugzeuges auftreten, um den Faktor 256 verkleinert. j_%

1 Patentanspruch, 5 Bl.Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentanspruch :

   Verfahren zum Auswerten von HF-Impulsen in einem Punknavigationsempfänger, insbesondere einem Loran C-Empfänger, wobei jeder empfangene Impuls aus einem ungestörten Teil und einem gestörten Teil besteht, bei dem aus dem ungestörten Teil des Impulses durch Abtastung ein Amplitudenwert gewonnen und eine im Empfänger erzeugte Schwingung in Frequenz und Phase nachgeregeltwird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Bandbreite der Regelschleifen und damit zur Verkleinerung von Navigationsfehlern aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen des Fahrzeuges der aus dem ungestörten Teil gewonnene Amplitudenwert den Zeitpunkt einer zusätzlichen Abtastung im gestörten Teil in der Nähe der Maximalamplitude bestimmt, und daß der so gewonnene Wert zur Frequenz- und Phasenregelung verwendet wird.

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